以高精度执行通用逆向设计的新方法

综合动态 2022-01-29 11:26:28
导读 新加坡-麻省理工学院研究与技术联盟 (SMART) 的低能电子系统 (LEES) 跨学科研究小组 (IRG) 的研究人员与机构合作者一起,发现了一种

新加坡-麻省理工学院研究与技术联盟 (SMART) 的低能电子系统 (LEES) 跨学科研究小组 (IRG) 的研究人员与机构合作者一起,发现了一种以相当高的精度执行一般逆向设计的新方法。这一突破为进一步发展新兴和快速发展的领域铺平了道路,最终可以使用机器学习根据所需的用户定义属性集准确识别材料。这对材料科学来说可能是革命性的,并具有巨大的工业优势和用例。

材料科学和研究中的一个关键挑战是长期以来希望能够创建具有一组特定特性和特性的材料或化合物,以适应特定的应用或用例。为了解决这个问题,研究人员传统上通过材料属性数据库进行材料筛选,这导致发现了有限数量的具有用户定义的功能特性的化合物。然而,即使使用高性能计算 (HPC),必要计算的计算成本也很高,无法对理论材料空间进行详尽的搜索。因此,迫切需要一种替代方法,使这一材料勘探过程更加全面和高效。

进入逆向设计。顾名思义,逆向设计的概念颠倒了传统的设计过程,只需输入一组所需的属性和特性,然后使用优化算法生成预测的解决方案,就可以对新材料和化合物进行“逆向工程”。最近出现的逆向设计在光子学领域引起了特别的兴趣,光子学领域越来越多地转向非常规技术,以规避与设计越来越小但功能越来越强大的设备相关的固有挑战。当前的方法涉及传统设计,其中设计师设想固定的形状或结构作为起点。这个过程是劳动密集型的,并且排除了具有不同形状或结构的各种其他设备,其中一些可能比传统形状或结构具有更大的潜力。

逆向设计消除了这个问题,而是允许制造具有最佳或有效形状、结构、化学成分或其他特性或特性的设备。虽然逆向设计并不新鲜,但 SMART 研究人员在发现通用逆向设计的可行方法方面更进一步,其中逆向设计能力不限于特定的一组元素或晶体结构,而是能够访问各种元素和晶体结构。

这一突破在最近发表在《物质》杂志上的一篇题为“具有目标特性的无机晶体的一般逆向设计的可逆晶体学表示”的论文中进行了概述.在研究中,该团队展示了一个无机晶体的一般(成分和结构变化)逆向设计框架,称为 FTCP(傅里叶变换晶体特性),它允许通过采样对具有用户指定特性的晶体进行逆向设计,解码和后处理。更有希望的是,研究人员表明,FTCP 能够设计出与已知结构不同的新晶体材料——这是探索这一新兴技术的重大进展,对材料科学和工业应用具有潜在的革命性影响。

SMART 研究人员开发的算法对材料数据库中的 50,000 多种化合物进行训练,然后学习并概括化学、结构和性质之间的复杂关系,以预测具有用户目标特征的新型化合物或材料。该算法预测具有目标形成能、带隙和热电功率因数的材料,并通过密度泛函理论通过模拟验证这些预测,从而证明了合理的准确度。

“这对于材料研究领域来说是一个令人难以置信的激动人心的发展。材料科学研究人员现在拥有一个有效而全面的工具,使他们能够通过简单地输入所需的特性来发现和创造新的化合物和材料,”首席研究员 Tonio Buonassisi 说。 LEES 和麻省理工学院机械工程教授。

新加坡国立大学研究生和论文的共同第一作者 S. Isaac P. Tian 在论文中补充说,“在这一旅程的下一步中,一个重要的里程碑将是改进算法,以便能够更好地预测稳定性和可制造性。这些是SMART 团队目前正与新加坡和全球的合作者共同应对激动人心的挑战。”

LEES 的主要作者和博士后研究员任泽坤说:“长期以来,寻找更有效和高效的方法来制造具有用户定义特性的材料或化合物的目标一直是材料科学研究人员的重点。我们的工作展示了一个可行的解决方案,超越专业逆向设计,让研究人员能够探索不同成分和结构的潜在材料,从而创造出更广泛的化合物。这是成功的通用逆向设计的开创性例子,我们希望在这一成功的基础上再接再厉进一步的研究工作。”新加坡-麻省理工学院研究与技术联盟 (SMART) 的低能电子系统 (LEES) 跨学科研究小组 (IRG) 的研究人员与机构合作者一起,发现了一种以相当高的精度执行一般逆向设计的新方法。这一突破为进一步发展新兴和快速发展的领域铺平了道路,最终可以使用机器学习根据所需的用户定义属性集准确识别材料。这对材料科学来说可能是革命性的,并具有巨大的工业优势和用例。

材料科学和研究中的一个关键挑战是长期以来希望能够创建具有一组特定特性和特性的材料或化合物,以适应特定的应用或用例。为了解决这个问题,研究人员传统上通过材料属性数据库进行材料筛选,这导致发现了有限数量的具有用户定义的功能特性的化合物。然而,即使使用高性能计算 (HPC),必要计算的计算成本也很高,无法对理论材料空间进行详尽的搜索。因此,迫切需要一种替代方法,使这一材料勘探过程更加全面和高效。

进入逆向设计。顾名思义,逆向设计的概念颠倒了传统的设计过程,只需输入一组所需的属性和特性,然后使用优化算法生成预测的解决方案,就可以对新材料和化合物进行“逆向工程”。最近出现的逆向设计在光子学领域引起了特别的兴趣,光子学领域越来越多地转向非常规技术,以规避与设计越来越小但功能越来越强大的设备相关的固有挑战。当前的方法涉及传统设计,其中设计师设想固定的形状或结构作为起点。这个过程是劳动密集型的,并且排除了具有不同形状或结构的各种其他设备,其中一些可能比传统形状或结构具有更大的潜力。

逆向设计消除了这个问题,而是允许制造具有最佳或有效形状、结构、化学成分或其他特性或特性的设备。虽然逆向设计并不新鲜,但 SMART 研究人员在发现通用逆向设计的可行方法方面更进一步,其中逆向设计能力不限于特定的一组元素或晶体结构,而是能够访问各种元素和晶体结构。

这一突破在最近发表在《物质》杂志上的一篇题为“具有目标特性的无机晶体的一般逆向设计的可逆晶体学表示”的论文中进行了概述.在研究中,该团队展示了一个无机晶体的一般(成分和结构变化)逆向设计框架,称为 FTCP(傅里叶变换晶体特性),它允许通过采样对具有用户指定特性的晶体进行逆向设计,解码和后处理。更有希望的是,研究人员表明,FTCP 能够设计出与已知结构不同的新晶体材料——这是探索这一新兴技术的重大进展,对材料科学和工业应用具有潜在的革命性影响。

SMART 研究人员开发的算法对材料数据库中的 50,000 多种化合物进行训练,然后学习并概括化学、结构和性质之间的复杂关系,以预测具有用户目标特征的新型化合物或材料。该算法预测具有目标形成能、带隙和热电功率因数的材料,并通过密度泛函理论通过模拟验证这些预测,从而证明了合理的准确度。

“这对于材料研究领域来说是一个令人难以置信的激动人心的发展。材料科学研究人员现在拥有一个有效而全面的工具,使他们能够通过简单地输入所需的特性来发现和创造新的化合物和材料,”首席研究员 Tonio Buonassisi 说。 LEES 和麻省理工学院机械工程教授。

新加坡国立大学研究生和论文的共同第一作者 S. Isaac P. Tian 在论文中补充说,“在这一旅程的下一步中,一个重要的里程碑将是改进算法,以便能够更好地预测稳定性和可制造性。这些是SMART 团队目前正与新加坡和全球的合作者共同应对激动人心的挑战。”

LEES 的主要作者和博士后研究员任泽坤说:“长期以来,寻找更有效和高效的方法来制造具有用户定义特性的材料或化合物的目标一直是材料科学研究人员的重点。我们的工作展示了一个可行的解决方案,超越专业逆向设计,让研究人员能够探索不同成分和结构的潜在材料,从而创造出更广泛的化合物。这是成功的通用逆向设计的开创性例子,我们希望在这一成功的基础上再接再厉进一步的研究工作。”

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