Химики обучили программу строить точные модели межатомных сил — Naked Science
7 минут
ФизТех

Химики обучили программу строить точные модели межатомных сил

3.6

Ученые из МФТИ, НИИ автоматики и Сколтеха применили метод машинного обучения для моделирования поведения алюминия и урана при различных температурах, давлениях и в разных фазовых состояниях.

Межатомные силы / ©Пресс-служба МФТИ

Группа ученых из МФТИ, НИИ автоматики имени Н. Л. Духова и Сколтеха под руководством Артема Оганова применила метод машинного обучения для моделирования поведения алюминия и урана при различных температурах, давлениях и в разных фазовых состояниях. Моделирование химических систем позволяет предсказывать их свойства в различных условиях до проведения экспериментов, что в дальнейшем дает возможность воплотить в реальность наиболее перспективные материалы. Результаты опубликованы в журнале Scientific Reports.
Компьютерная химия


Активное развитие науки за последние сто лет привело к наличию удивительного разнообразия органических и неорганических соединений, белковых и липидных структур, множества схем химических реакций. Но чем больше новых структур и молекул, тем больше времени требуется для того, чтобы исследовать их строение, биохимические и физические свойства, изучить модели поведения в различных условиях и возможные реакции взаимодействия с другими веществами. На данный момент изучать вышеперечисленные свойства возможно при помощи компьютерного моделирования.

Сейчас самый популярный метод моделирования основан на использовании набора параметров, описывающих рассматриваемую биохимическую систему: дли́ны связей в молекулах, углы между атомами, заряды и т. д. — так называемый «метод силовых полей». Однако использование этого метода не позволяет точно воспроизводить квантово-механические силы, которые действуют в молекулах. Кроме того, точные квантово-механические расчеты занимают много времени, не позволяют рассчитывать свойства больших систем и ограничиваются парой сотен атомов.

Огромный интерес представляют модели машинного обучения. Обучаясь на относительно небольшой выборке данных (получаемых в квантово-механических расчетах), эти модели затем могут быть использованы вместо квантово-механических расчетов, поскольку обладают такой же точностью, но требуют примерно в тысячу раз меньше вычислительных ресурсов, чем квантово-механические расчеты.
Успехи машинного обучения в моделировании атомных взаимодействий


Ученые применили машинное обучение для моделирования межатомных взаимодействий в кристаллах и расплавах двух элементов: алюминия и урана. Алюминий — хорошо изученный металл с известными физико-химическими свойствами. Уран был выбран, наоборот, из-за наличия разнящихся опубликованных данных о его физико-химических свойствах и желания исследователей эти свойства уточнить.

В ходе данной работы с помощью обученной модели исследователи изучали такие свойства, как плотность фононных состояний, энтропия и температура плавления алюминия.


Иван Круглов, сотрудник лаборатории компьютерного дизайна материалов МФТИ, рассказывает: «Величины сил межмолекулярных взаимодействий атомов в кристаллах можно успешно применять для предсказания поведения атомов этого элемента при других температурах и в других фазовых состояниях, а также, наоборот, — зная свойства системы в жидком фазовом состоянии, узнать поведение атомов в кристаллической решетке. Таким образом, появляется возможность расчета фазовой диаграммы урана на основании данных о его кристаллической структуре. Показывая состояние вещества в зависимости от давления и температуры, фазовые диаграммы позволяют определять возможности и границы применения элементов».


Основным критерием достоверности виртуально полученных данных являлось их сравнение с экспериментальной информацией. Использованный метод моделирования показал хорошую точность полученных виртуально данных. Информация, полученная методом машинного обучения, имеет меньшие погрешности, чем методы моделирования, использующие силовые поля.

Данное исследование заключается в повышении скорости и точности моделирования систем атомов методом машинного обучения, предложенным авторами в 2016 году.


Работа сделана при поддержке Российского научного фонда.

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl + Enter.
ФизТех
212 статей
Московский физико-технический институт (национальный исследовательский университет), известен также как Физтех — ведущий российский вуз по подготовке специалистов в области теоретической, экспериментальной и прикладной физики, математики, информатики, химии, биологии и смежных дисциплин. Расположен в городе Долгопрудном Московской области, отдельные корпуса и факультеты находятся в Жуковском и в Москве.
Вчера, 20:00
10 минут
Мария Азарова

Ученые провели анализ по 353 профессиям и оценили, насколько различия в статусе потребления алкоголя можно объяснить родом занятий.

12 часов назад
7 минут
Василий Парфенов

Чем больше на Земле ледников, тем меньше в океанах планеты воды — эта вполне логичная мысль, однако, не имела подтверждения в данных о последней ледниковой эпохе. Сведения об уровне Мирового океана не совпадают с моделями оледенения. Международная команда специалистов по палеоклиматологии смогла разрешить этот парадокс. Правда, теперь придется пересмотреть некоторые важные методы изотопного анализа кернов осадочных пород.

Вчера, 16:28
7 минут
Василий Парфенов

Когда речь заходит о передаче возбудителей инфекции воздушно-капельным путем, как это характерно для коронавируса, например, обычно вспоминают про кашель и чихание. Однако мельчайшие капельки влаги, которые содержат вирусные частицы, отлично распространяются в воздухе даже в при обычном разговоре. Японские инженеры наглядно продемонстрировали этот процесс, причем в экспериментах они воссоздали самые разные условия — с надетой маской и без, — а также расположили собеседников в наиболее распространенных для сферы услуг позах.

21 февраля
20 минут
Василий Парфенов

Кого и что только ни успели уже обвинить в технологической катастрофе, которая произошла на этой неделе в США. Но эмоции плавно оседают, и начинают появляться первые результаты разбирательства. А они порой вызывают искреннее недоумение, честно говоря.

Позавчера, 09:49
4 минуты
Виктория Сафронова

Звук — шум от передвижения марсохода — записан одним из его микрофонов.

22 февраля
5 минут
Илья Ведмеденко

Новое видео демонстрирует использование новейшего российского разведывательно-ударного БПЛА «Орион» на территории Сирии. Ранее этот комплекс приняли на вооружение.

27 января
6 минут
Василий Парфенов

Интересным наблюдением поделились сотрудники Чернобыльского радиационно-экологического биосферного заповедника. Они уже более трех лет следят за жизнью стада одичавших коров, поведение которого сильно отличается от того, что можно наблюдать у домашних сельскохозяйственных животных.

2 февраля
44 минуты
Александр Березин

В научном журнале The Lancet появились итоги клинических испытаний «Спутника-V», и на первый взгляд эта публикация — триумф. Российская вакцина показала эффективность выше, чем у Pfizer и Moderna. Увы, на этом хорошие новости закончились. Плохих две.

21 февраля
20 минут
Василий Парфенов

Кого и что только ни успели уже обвинить в технологической катастрофе, которая произошла на этой неделе в США. Но эмоции плавно оседают, и начинают появляться первые результаты разбирательства. А они порой вызывают искреннее недоумение, честно говоря.

[miniorange_social_login]

Комментарии

Написать комментарий

Подтвердить?
Лучшие материалы
Войти
Регистрируясь, вы соглашаетесь с правилами использования сайта и даете согласие на обработку персональных данных.

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: