В МФТИ ускорили поиск новых материалов с заданными оптическими свойствами
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.
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.
Telegram 
Дзен 
VK Древнеримские инженеры проложили колоссальную сеть дорог через Европу, Северную Африку и Ближний Восток, многие участки которой до сих пор поражают безупречной прямолинейностью. Секрет строительства заключался в использовании трех особых геодезических инструментов, с помощью которых разбивали местность на ровные отрезки и размечали трассы.
Самый маленький дневной хищник Африки впервые попал под наблюдение с помощью GPS-трекеров. Ученые выяснили, что для выкармливания птенцов ему нужен участок почти в 14 раз меньше, чем у степной пустельги — ближайшего «рекордсмена» среди изученных птиц.
В вакууме космоса два металлических предмета, прижатые друг к другу, могут спонтанно свариться без какого-либо нагрева. Из-за отсутствия кислорода на поверхностях деталей разрушается защитный слой, в результате чего свободные электроны начинают мгновенно перемещаться между ними и соединяют два элемента в один монолит.
Американские ветеринары установили, что длина шага передних лап у пожилых собак отражает возрастные изменения в работе мозга. Когда у собак развивается деменция, шаги их передних лап становятся короче, причем эта связь не зависит от хронической боли в суставах.
Терраформировать Марс — то есть превратить в мир, где можно жить без защитных куполов — мечта человечества с того момента, как стало понятно, что это холодная планета с призрачной бескислородной атмосферой. Сейчас главный хедлайнер ее освоения — Илон Маск, компания SpaceX которого планирует первые полеты туда уже в 2028 году. Многие энтузиасты вспоминают слова Маска 14-летней давности: Красную планету надо лишь «подремонтировать», чтобы ходить без скафандра. Но между полетом и прогулками по городу-саду на Марсе лежит огромная пропасть. Пару лет назад Naked Science рассматривал положительный сценарий терраформирования. Пришло время подсчитать, сколько же лет и ресурсов потребуется.
Биологи нашли особый тип стволовых клеток, которые просыпаются в среднем возрасте и активно производят новый жир на животе. Открытие сделали благодаря масштабным экспериментам на мышах и анализу человеческих тканей. Результат объяснил природу возрастного ожирения и дал новую цель для будущих лекарств.
Хотя длительность помех не превышала десяти секунд, это первый известный случай такого рода. Обычно спутникам не хватает мощности для создания радиосигналов той силы, что нужна для подобных помех.
Вселенная может оказаться «замкнутой» глобальной структурой, где свет от далеких галактик способен возвращаться к наблюдателю с разных направлений. Именно такой сценарий не удалось исключить авторам нового масштабного обзора. Проверить его предсказания астрономы смогут уже в ближайшие годы.
Ученые впервые на молекулярном уровне доказали, что обычная вода одновременно состоит из двух разных жидких состояний — более плотного и менее плотного, которые непрерывно сменяют друг друга. Раз молекулярная «двойственность» действительно существует, это подтверждает спорную 30-летнюю гипотезу. Новое открытие поможет, наконец, объяснить десятки «странных» физических аномалий воды, включая ее расширение при замерзании и парадоксальное изменение вязкости под давлением.
Вы попытались написать запрещенную фразу или вас забанили за частые нарушения.
Понятно
Что-то в вашем комментарии показалось подозрительным, поэтому перед публикацией он пройдет модерацию.
Понятно
Из-за нарушений правил сайта на ваш аккаунт были наложены ограничения. Если это ошибка, напишите нам.
Понятно
Наши фильтры обнаружили в ваших действиях признаки накрутки. Отдохните немного и вернитесь к нам позже.
Понятно
Мы скоро изучим заявку и свяжемся с Вами по указанной почте в случае положительного исхода. Спасибо за интерес к проекту.
Понятно