|
ИИ может выявлять структуру кристаллических материалов
|
|
|
|
Уже более 100 лет ученые используют рентгеновскую кристаллографию для определения структуры кристаллических материалов, таких как металлы, горные породы и керамика. Этот метод лучше всего работает, когда кристалл цел, но во многих случаях ученые имеют в своем распоряжении только порошкообразный вариант материала, который содержит случайные фрагменты кристалла. Это затрудняет сборку общей структуры.
|
|
|
|
Химики Массачусетского технологического института разработали новую генеративную модель искусственного интеллекта, которая может значительно упростить определение структуры этих порошкообразных кристаллов. Модель прогнозирования может помочь исследователям охарактеризовать материалы для использования в батареях, магнитах и многих других областях применения.
|
|
|
|
"Структура - это первое, что вам нужно знать для любого материала. Это важно для сверхпроводимости, это важно для магнитов, это важно для понимания того, какую фотоэлектрическую систему вы создали. Это важно для любого применения, ориентированного на материалы", - говорит Данна Фридман, профессор химии Массачусетского технологического института имени Фредерика Джорджа Кейса.
|
|
|
Фридман и Юре Лесковец, профессор компьютерных наук Стэнфордского университета, являются ведущими авторами исследования, которое опубликовано в журнале Американского химического общества. Аспирант Массачусетского технологического института Эрик Ризель и студент Йельского университета Цах Макки являются ведущими авторами статьи.
|
|
Характерные узоры
|
|
|
|
Кристаллические материалы, к которым относятся металлы и большинство других твердых неорганических материалов, состоят из множества одинаковых, повторяющихся элементов. Эти элементы можно рассматривать как "коробки" определенной формы и размера, в которых атомы точно расположены внутри.
|
|
|
|
Когда рентгеновские лучи направляются на эти решетки, они дифрагируют на атомах под разными углами и с разной интенсивностью, раскрывая информацию о расположении атомов и связях между ними. С начала 1900-х годов этот метод использовался для анализа материалов, включая биологические молекулы, имеющие кристаллическую структуру, такие как ДНК и некоторые белки.
|
|
|
|
Для материалов, которые существуют только в виде порошкообразного кристалла, создание таких структур становится намного сложнее, поскольку фрагменты не несут полной трехмерной структуры исходного кристалла.
|
|
|
|
"Точная кристаллическая решетка все еще существует, потому что то, что мы называем порошком, на самом деле представляет собой набор микрокристаллов. Итак, у вас такая же решетка, как у крупного кристалла, но они расположены в полностью случайной ориентации", - говорит Фридман.
|
|
|
|
Для тысяч из этих материалов существуют дифракционные картины рентгеновских лучей, но они остаются неразгаданными. Чтобы попытаться взломать структуру этих материалов, Фридман и ее коллеги обучили модель машинного обучения на основе данных из базы данных под названием Materials Project, которая содержит более 150 000 материалов.
|
|
|
|
Сначала они ввели десятки тысяч таких материалов в существующую модель, которая может моделировать, как будут выглядеть картины дифракции рентгеновских лучей. Затем они использовали эти картины для обучения своей модели искусственного интеллекта, которую они называют Crystalyze, для прогнозирования структур на основе рентгеновских изображений.
|
|
|
|
Модель разбивает процесс прогнозирования структур на несколько подзадач. Во-первых, она определяет размер и форму решетчатого "ящика" и то, какие атомы войдут в него. Затем она предсказывает расположение атомов внутри ящика. Для каждой дифракционной картины модель генерирует несколько возможных структур, которые можно протестировать, введя эти структуры в модель, определяющую дифракционные картины для данной структуры.
|
|
|
|
"Наша модель - это генеративный ИИ, что означает, что он генерирует что-то, чего раньше не видел, и это позволяет нам генерировать несколько разных предположений", - говорит Ризель. "Мы можем сделать сотню предположений, а затем предсказать, как должен выглядеть рисунок порошка для наших предположений. И тогда, если входные данные выглядят точно так же, как выходные, мы будем знать, что все сделали правильно".
|
|
Решение неизвестных структур
|
|
|
|
Исследователи протестировали модель на нескольких тысячах смоделированных дифракционных картинах из проекта Materials Project. Они также протестировали его на более чем 100 экспериментальных дифрактограммах из базы данных RRUFF, которая содержит данные рентгеновской дифракции в порошке для почти 14 000 природных кристаллических минералов, которые они использовали в качестве обучающих данных.
|
|
|
|
На основе этих данных модель была точной примерно в 67% случаев. Затем они начали тестировать модель на дифракционных картинах, которые ранее не были решены. Эти данные были получены из файла порошковой дифракции, который содержит дифракционные данные для более чем 400 000 исследованных и нерастворенных материалов.
|
|
|
|
Используя свою модель, исследователи разработали структуры для более чем 100 из этих ранее неразгаданных структур. Они также использовали свою модель для обнаружения структур трех материалов, которые лаборатория Фридмана создала, заставив элементы, которые не реагируют при атмосферном давлении, образовывать соединения под высоким давлением. Этот подход может быть использован для создания новых материалов, обладающих радикально отличающимися кристаллическими структурами и физическими свойствами, несмотря на то, что их химический состав одинаков.
|
|
|
|
Примерами таких материалов являются графит и алмаз, которые сделаны из чистого углерода. Разработанные Фридманом материалы, содержащие висмут и еще один элемент, могут быть полезны при разработке новых материалов для постоянных магнитов.
|
|
|
|
"Мы нашли много новых материалов на основе имеющихся данных и, самое главное, разгадали три неизвестные структуры из нашей лаборатории, которые представляют собой первые новые бинарные фазы этих комбинаций элементов", - говорит Фридман.
|
|
|
|
По словам команды Массачусетского технологического института, возможность определять структуру порошкообразных кристаллических материалов может помочь исследователям, работающим практически в любой области, связанной с материалами, которая разместила веб-интерфейс для модели по адресу crystalyze.org.
|
|
|
|
Источник
|
