مجله علمی  رایانش نرم و فناوری اطلاعات

مجله علمی رایانش نرم و فناوری اطلاعات

پیش‌بینی ثابت دی‌الکتریک نانومواد با استفاده از شبکه‌های عصبی گرافی: ادغام دینامیک مولکولی و یادگیری ماشین

نوع مقاله : مقاله پژوهشی فارسی

نویسنده
گروه فیزیک،مرکز تحقیقات مواد و انرژی، واحد دزفول، دانشگاه آزاد اسلامی ، دزفول، ایران
چکیده
در این مطالعه، یک چارچوب کارآمد و دقیق برای پیش‌بینی ثابت دی‌الکتریک نانومواد بر مبنای شبکه عصبی گرافی (GNN) توسعه داده شده است که هزینه محاسباتی را به‌طور چشمگیری کاهش می‌دهد. مدل پیشنهادی با استفاده از داده‌های حاصل از شبیه‌سازی دینامیک مولکولی با نرم‌افزار لمپس و محاسبات نظریه تابعی چگالی ( (DFT آموزش داده شد. داده‌های آموزشی شامل مقادیر ثابت دی‌الکتریک برای ساختارهای مولکولی TiO₂، SiO₂، H₂O، چارچوب‌های فلز-آلی(MOFs) اکسید گرافن و نانولوله‌های کربنی تحت شرایط مختلف دمایی (300–500 کلوین) و فشاری (0.1 مگاپاسکال تا 10 گیگاپاسکال) است. مدل GNN دقت بالایی با خطای میانگین مربعات برابر 0.12 و خطای مطلق میانگین برابر 0.08 به دست آورد، درحالی‌که زمان پیش‌بینی 0.5 ثانیه بود. نتایج نشان داد که جایگزینی 10 اتم مس در ساختار TiO₂ منجر به افزایش 20 درصدی ثابت دی‌الکتریک می‌شود که ناشی از توزیع ناهمگون بار و تشکیل دوقطبی‌های قوی‌تر است. همچنین، کاهش طول پیوند H–O در آب از 1.5 به 1.0 آنگستروم، ثابت دی‌الکتریک را تا 15 درصد افزایش می‌دهد. تحلیل حساسیت و تکنیک‌های تفسیرپذیری مانند Grad-CAM، اتم‌های کلیدی مس و تیتانیوم، طول پیوند و نوع پیوند را به‌عنوان عوامل مؤثر بر ثابت دی‌الکتریک شناسایی کردند. مقایسه با روش‌های سنتی مانند ماشین بردار پشتیبان ( (SVM و رگرسیون خطی، برتری مدل GNN در دقت و کارایی را تأیید می‌کند.
کلیدواژه‌ها

[1] S. Chmiela, A. Tkatchenko, H. E. Sauceda, I. Poltavsky, K. R. Müller, and A. Tkatchenko, "Machine learning of accurate energy-conserving molecular force fields," Science Advances, vol. 4, no. 1, eaao5751, 2018, doi: 10.1126/sciadv.1603015.
[2] T. Xie and J. C. Grossman, "Crystal graph convolutional neural networks for an accurate and interpretable prediction of material properties," Physical Review Letters, vol. 120, no. 14, p. 145301, 2018, doi: 10.1103/PhysRevLett.120.145301.
[3] U. Unke, O. T., and M. Meuwly, "PhysNet: A neural network for predicting energies, forces, dipole moments, and partial charges," Journal of Chemical Theory and Computation, vol. 15, no. 6, pp. 3678-3693, Jun. 2019.
[4] W. Nash, T. Drummond, and N. Birbilis, "A review of deep learning in the study of materials degradation," npj Materials Degradation, vol. 2, no. 1, p. 37, 2018.
[5] J. Gilmer, S. S. Schoenholz, P. F. Riley, O. Vinyals, and G. E. Dahl, "Neural message passing for quantum chemistry," International Conference on Machine Learning, 2017, pp. 1263-1272.
[6] K. T. Schütt, P. Kessel, M. Gastegger, K. A. Nicoli, A. Tkatchenko, and K. R. Müller, "SchNetPack: A deep learning toolbox for atomistic systems," Journal of Chemical Theory and Computation, vol. 15, no. 1, pp. 448-455, 2018.
[7] S. Plimpton, "Fast parallel algorithms for short-range molecular dynamics," Journal of Computational Physics, vol. 117, no. 1, pp. 1-19, 1995.
[8] T. P. Senftle, S. Hong, M. M. Islam, S. B. Kylasa, Y. Zheng, Y. K. Shin, and A. C. Van Duin, "The ReaxFF reactive force-field: development, applications and future directions," npj Computational Materials, vol. 2, no. 1, pp. 1-14, 2016.
[9] G. Kresse and J. Furthmüller, "Efficiency of ab-initio total energy calculations for metals and semiconductors using a plane-wave basis set," Computational Materials Science, vol. 6, no. 1, pp. 15-50, 1996.
[10] A. P. Bartók, M. C. Payne, R. Kondor, and G. Csányi, "Gaussian approximation potentials: The accuracy of quantum mechanics, without the electrons," Physical Review Letters, vol. 104, no. 13, p. 136403, 2010.
[11] J. S. Smith, O. Isayev, and A. E. Roitberg, "ANI-1: an extensible neural network potential with DFT accuracy at force field computational cost," Chemical Science, vol. 8, no. 4, pp. 3192-3203, 2017.
[12] J. Zhou, G. Cui, S. Hu, Z. Zhang, C. Yang, Z. Liu, and M. Sun, "Graph neural networks: A review of methods and applications," AI Open, vol. 1, pp. 57-81, 2020.
[13] A. Jain, S. P. Ong, G. Hautier, W. Chen, W. D. Richards, S. Dacek, and K. A. Persson, "Commentary: The Materials Project: A materials genome approach to accelerating materials innovation," APL Materials, vol. 1, no. 1, 2013.