В МФТИ ускорили поиск новых материалов с заданными оптическими свойствами

❋ 4.4

В рамках совместной работы физики из Китая и России обучили графовую нейронную сеть поиску кристаллов с высоким показателем двулучепреломления. Разработанный подход позволит ускорить поиск новых материалов с заданными оптическим свойствами.

ФизТех

# компьютерный дизайн

# машинное обучение

# нейронная сеть

# новые материалы

Алгоритм поиска новых материалов с целевыми оптическими свойствами: от сбора базы данных до финального шага с валидацией свойств найденных материалов / © Science China Materials

Результаты опубликованы в журнале Science China Materials. Материалы с высоким показателем двулучепреломления (Δn), особенно в области глубокого ультрафиолета, активно применяются для разработки поляризационных и многих других устройств. Традиционные экспериментальные методы поиска таких материалов занимают много времени и, как правило, сложны в исполнении. Поэтому ученые разработали простой и понятный способ отбора материалов с высоким показателем Δn, используя квантово-механические модели и современные технологии машинного обучения.

При обучении нейросети очень важно правильно подобрать признаки, описывающие тренировочный набор данных. Оптические свойства материала зависят как от его кристаллической структуры, так и от химического состава. Поэтому архитектура модели должна находить взаимосвязи химическим составом, кристаллической структурой и целевым свойством материала.

Одной из таких архитектур, которая сочетает в себе описанные выше свойства, является графовая нейронная сеть. В этом исследовании в качестве основного инструмента использовалась модель графовой нейронной сети ALIGNN. Исследователи обучили ее предсказывать величину двулучепреломления материала, основываясь на кристаллических структурах. Для определения точности предсказании физики добавили критерий D-оптимальности. Этот критерий показывает, насколько надежны предсказания модели на новых данных. Он также оценивает, насколько хорошо характеристики новых материалов «вписываются» в набор данных, использованный для обучения модели.

«Предложенный подход, состоящий из сбора обучающей выборки, разработки моделей машинного обучения и скрининга баз данных, позволил нам найти новые материалы с заданными оптическими свойствами. В будущем данный подход может быть расширен и на другие классы материалов», — рассказывает Иван Круглов, заведующий лабораторией компьютерного дизайна материалов МФТИ.

«Ранее мы не видели работ, где бы использовался критерий D-оптимальности не только для оценки надежности прогнозов модели машинного обучения, но и для оценки «новизны» данных. Также разработанный подход сочетает в себе методы машинного обучения с традиционными квантово-механическими расчетами, что обеспечивает точность и хорошую интерпретируемость результатов. Мы продолжаем разрабатывать модели, используя новые подходы, и, возможно, в ближайшем будущем их качество станет еще лучше!», — пояснила Людмила Березникова, сотрудник лаборатории компьютерного дизайна материалов МФТИ.

Используя обученную графовую нейронную сеть, после скрининга базы данных Materials Project ученые обнаружили два новых материала с высокими значениями двупреломления в области глубокого ультрафиолета: NaYCO₃F₂ и SClO₂F. Найденный материалы имеют Δn = 0,202 и Δn = 0,101 при длине волны равной 1064 нм. Анализ показал, что высокий показатель преломления в NaYCO₃F₂ обусловлен расположением планарных структурных элементов [CO₃]. В случае SClO₂F основной вклад в величину Δn дают анизотропные связи S–Cl.

В данной работе впервые продемонстрирована возможность одновременного использования графовой нейронной сети в сочетании с критерием D-оптимальности для точного прогнозирования Δn и поиска новых оптических материалов. Предположительно разработанную модель можно адаптировать для поиска материалов с по другими физическим свойствами, например, твердостью или теплопроводностью.

В работе принимали участие ученые из МФТИ, Синьцзянского технического института физики и химии Китайской академии наук и Центра исследований новых технологий XPANCEO (ОАЭ).

_{Опубликовано при поддержке гранта Минобрнауки России в рамках федерального проекта «Популяризация науки и технологий» № 075-15-2024-571.}

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl (Cmd) + Enter.

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.