“機(jī)器學(xué)習(xí) + 量子力學(xué)” ，助力探索新材料

本文作者： no name

2016-09-23 18:46

導(dǎo)語：200 多萬種材料的特性分析，超級(jí)計(jì)算機(jī)連續(xù)工作超過 2000 萬小時(shí)，交給機(jī)器學(xué)習(xí)只需要 1 天。

雷鋒網(wǎng)按：借助人工智能，來自瑞士巴塞爾大學(xué)的化學(xué)家通過計(jì)算由四種化學(xué)元素組成的晶體，得到了約 200 萬種特性。研究人員還識(shí)別出 90 種以前未發(fā)現(xiàn)的熱穩(wěn)定性晶體，可以視為新材料。研究人員將這些發(fā)現(xiàn)發(fā)表在了科學(xué)雜志《物理評(píng)論快報(bào)》上。

能量矩陣，高能勢(shì)（紅）或低能勢(shì)（藍(lán)）

鉀冰晶石是一種玻璃態(tài)、透明、有光澤、具有立方晶體結(jié)構(gòu)的礦物，在埃爾帕索縣（美國(guó)科羅拉多州）首次發(fā)現(xiàn)，也曾出現(xiàn)在落基山脈，佛吉尼亞和亞平寧山脈（意大利）。在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)庫中，鉀冰晶石通常是最常被發(fā)現(xiàn)的第四紀(jì)晶體（晶體由四種化學(xué)元素組成）。這取決于它的組成，它可以是一個(gè)金屬導(dǎo)體、半導(dǎo)體或絕緣體，當(dāng)暴露于輻射還會(huì)發(fā)光，。

這些特點(diǎn)使鉀冰晶石很可能被用于制作閃爍物質(zhì)（其中的某些方面已經(jīng)可以證明）以及其他情況。其化學(xué)的復(fù)雜性意味著，從數(shù)學(xué)上講，要使用量子力學(xué)預(yù)測(cè)由四元素構(gòu)成的鉀冰晶石結(jié)構(gòu)在理論上的所有可行組合幾乎是不可能的。

| 機(jī)器學(xué)習(xí)助力統(tǒng)計(jì)分析

依靠現(xiàn)代人工智能技術(shù)，伯爾尼大學(xué)化學(xué)系 Anatole von Lilienfeld 教授組的博士生 Felix Faber 現(xiàn)在已經(jīng)成功地解決了這種材料的設(shè)計(jì)問題。首先，他利用量子力學(xué)生成了數(shù)千種隨機(jī)化學(xué)成分構(gòu)成的冰晶石晶體的預(yù)測(cè)。然后，他利用結(jié)果來訓(xùn)練統(tǒng)計(jì)機(jī)器學(xué)習(xí)模型（ML 模型）。改進(jìn)的算法策略實(shí)現(xiàn)了與標(biāo)準(zhǔn)量子力學(xué)方法相當(dāng)?shù)念A(yù)測(cè)精度。

ML 模型的優(yōu)點(diǎn)是可以將相應(yīng)的量子力學(xué)計(jì)算速度提高幾個(gè)數(shù)量級(jí)。理論上可以從周期表的主族元素獲得的冰晶石晶體可達(dá) 200萬種，該模型一天之內(nèi)就能夠測(cè)完所有化學(xué)穩(wěn)定性中的一個(gè)指標(biāo)——層級(jí)能量。相比之下，用量子力學(xué)的方法計(jì)算，需要使用超級(jí)計(jì)算機(jī)超過 2000 萬小時(shí)。

| 新材料，新特性

通過模型計(jì)算得到的特性分析為這類材料提供了新的見解。研究人員能夠預(yù)測(cè)檢測(cè)基本的能級(jí)，并確定 90種根據(jù)量子力學(xué)預(yù)測(cè)是熱力學(xué)穩(wěn)定的未知晶體。

在這些特征的基礎(chǔ)上，鉀冰晶石已進(jìn)入材料工程素材數(shù)據(jù)庫，這在材料基因組計(jì)劃中起著關(guān)鍵的作用。該倡議是美國(guó)政府在 2011 發(fā)起的，目的是通過計(jì)算協(xié)助，加快新材料的發(fā)現(xiàn)和合成實(shí)驗(yàn)。

一些新發(fā)現(xiàn)的冰晶石晶體有著獨(dú)特的電子特性和不尋常的成分。“人工智能，結(jié)合大數(shù)據(jù)、量子力學(xué)和超級(jí)計(jì)算，為我們深化認(rèn)識(shí)和發(fā)現(xiàn)新的材料開辟了新的途徑，我們不會(huì)考慮如果我們僅僅依賴于人的直覺，”該研究的負(fù)責(zé)人 Von Lilienfeld 這樣說道。

via ScienceDaily 頭圖 via TC