المحتويات في لمحة:إن استخدام الطرق التقليدية لتحليل التفاعل بين الأنظمة الكيميائية والحقول الخارجية له عيوب مثل انخفاض الكفاءة وارتفاع التكلفة. وقد قامت مجموعة الأبحاث التابعة لجيانغ بين في جامعة العلوم والتكنولوجيا في الصين بإدخال ميزات مرتبطة بالمجال في وصف البيئة الذرية وتطوير FIREANN، الذي استخدم التعلم الآلي لتوفير وصف جيد لارتباط المجال للنظام.

الكلمات المفتاحية:الفيزياء الكيميائية الديناميكية الجزيئية المجالات الخارجية

المؤلف | شيويه تساي

المحرر | لي باوزو

التفاعل بين الأنظمة الكيميائية والمجالات الخارجية أمر بالغ الأهمية في العمليات الفيزيائية والكيميائية والبيولوجية. يمكن للمجالات الخارجية، وخاصة المجالات الكهربائية، أن تتفاعل مع الذرات والجزيئات والمادة المكثفة، مما يتسبب في استقطاب الإلكترون أو الدوران، أو تغيير التوجه المكاني للنظام.

تم استخدام نظرية الكثافة الوظيفية (DFT) وديناميكيات الجزيئات الأولية (AIMD) لدراسة الأنظمة الدورية وغير الدورية المعقدة تحت تأثير المجالات الكهربائية المطبقة. لكن،تطبيقات AIMD تتطلب الكثير من المجهود، وهو أمر يصعب استخدامه بشكل خاص في الأنظمة التي تكون فيها التأثيرات الكمومية النووية (NQEs) مهمة.

يعد تحليل مجال القوة التجريبية فعالاً للغاية ولكنه يتمتع بدقة محدودة، في حين أن حسابات التشتت الكمي الدقيقة المعتمدة على المجال لا تنطبق إلا على الأنظمة الصغيرة جدًا..

في نفس الوقت،لقد حقق التعلم الآلي (ML) نتائج ملحوظة في حل المشكلات الكيميائية عالية الأبعاد. ومع ذلك، فإن معظم نماذج التعلم الآلي تفصل بين الطاقة الكامنة واستجابة النظام للمجال الكهربائي، متجاهلة الارتباط الميداني للنظام.

تحقيقا لهذه الغاية،قدمت مجموعة جيانج بين في جامعة العلوم والتكنولوجيا في الصين ميزات مرتبطة بالمجال في وصف البيئات الذرية وطورت الشبكة العصبية الذرية التضمينية المتكررة المستحثة بالمجال (FIREANN). لا يستطيع FIREANN وصف الاتجاه المتغير لطاقة النظام بدقة عندما تتغير قوة المجال الخارجي واتجاهه فحسب، بل يمكنه أيضًا التنبؤ باستجابة النظام لأي ترتيب. وقد نشرت هذه النتيجة في مجلة "Nature Communication".

وقد نشرت هذه النتيجة في مجلة Nature Communications.

رابط الورقة:

https://www.nature.com/articles/s41467-023-42148-y

رابط نموذج FIREANN:

https://github.com/zhangylch/FIREANN

تابع الحساب الرسمي ورد بـ "تفاعل" للحصول على نسخة PDF كاملة من البحث

FIREANN:REANN + ناقل المجال الذري الزائف

يعتمد أساس FIREANN على نموذج REANN، الذي يصف البيئة الذرية من خلال الكثافات الذرية المضمنة (EADs).عندما يتم تطبيق مجال خارجي، سيتم إعادة توزيع كثافة الإلكترون وسيتم تدمير الثبات الدوراني للنظام.. ومن الواضح أن التفاعل بين النظام والمجال الخارجي سوف يتأثر بقوة واتجاه المجال الكهربائي.

هندسة فايران

يقوم FIREANN بتعيين متجه مجال ذري زائف لكل ذرة يحاكي سلوك الذرة الحقيقية.، ثم يتم دمج الاثنين للحصول على كثافة ذرية مضمنة تعتمد على المجال، والتي تستخدم كمدخل للشبكة العصبية، وأخيرًا تخرج كميات فيزيائية مثل القوة الذرية، وعزم ثنائي القطب، وقابلية الاستقطاب.

يمكن التعبير عن متجه المجال الذري الزائف لكل ذرة على النحو التالي: 

ثم،دمج المدارات المعتمدة على المجال والمدارات الغوسية (GTOs) في متجهات EAD المستحثة بالمجال (FI-EAD): 

هنا، يتم تمثيل المجال الخارجي الذي يتعرض له كل ذرة بواسطة متجه موضع الذرة الزائفة بالنسبة للذرة. يمكن بعد ذلك إعادة كتابة FI-EAD من حيث المسافات بين الذرات والزوايا المغلقة:

التحقق التجريبي

نموذج لعبة: التنبؤ الدقيق واستقراء جزيئات الماء

استخدم الباحثون في البداية جزيئات الماء كنظام لعبة للتحقق من تنبؤات FIREANN حول تفاعل النظام مع المجال الخارجي.. يوجد جزيء ماء على المستوى yz ومجال كهربائي بقوة 0.1 V/Å في اتجاه x.

نظرًا لأن المجال الخارجي والمستوى الجزيئي متعامدان دائمًا، فإن الطاقة الكامنة للجزيء لن تتغير. لقد تنبأ FIREANN بهذه النتيجة بشكل دقيق.

في نفس الوقت،يتنبأ FIREANN بدقة بتفاعل المجال الكهربائي ثنائي القطب عندما يدور الجزيء على طول المحور y. 

تنبؤ FIREANN بتأثير المجال الكهربائي الخارجي على جزيئات الماء على سطح yz

أ: تدور جزيئات الماء على طول المحور السيني؛

ب: دوران جزيئات الماء على طول المحور الصادي؛

ج: نتائج التنبؤ لـ DFT و FIREANN و FieldSchNet عندما تتغير قوة المجال الكهربائي.

يتمتع FIREANN أيضًا بقدرات استقراء قويةباستخدام بيانات تدريب واحدة فقط، تمكنا من استنتاج التغير في الطاقة الكامنة الجزيئية عندما كانت قوة المجال الكهربائي بين -0.2 و 0.2 فولت/أنجستروم. وهذا شيء لا يستطيع نموذج FieldSchNet التقليدي القيام به. 

إن إم إيه:التنبؤ الدقيق بأطياف الأشعة تحت الحمراء

الميزة النموذجية لـ FIREANN هي أنيمكنه التنبؤ بخطوة واحدة بخصائص الطاقة والاستجابة للأنظمة الكيميائية في وجود أو غياب المجالات الخارجية..

أجرى الباحثون اختبارات على N-ميثيل أسيتاميد (NMA). عندما يتراوح المجال الكهربائي الخارجي من 0.0 إلى 0.4 فولت/أنجستروم، يمكن لـ FIREANN التنبؤ بشكل فعال بالطاقة، وعزم ثنائي القطب، وقابلية استقطاب جزيئات NMA.أخطاء الجذر التربيعي المتوسط (RMSEs) هي 0.0053 إلكترون فولت، و0.028 ديباي، و0.51 وحدة فلكية، على التوالي. .

مخطط الارتباط لتوقعات FIREANN وDFT لطاقة NMA (أ)، وعزم ثنائي القطب (ب)، وقابلية الاستقطاب (ج)

ويقوم FIREANN أيضًا بإجراء تنبؤات حول الأطياف الجزيئية داخل المجال. عندما يتم زيادة قوة المجال الكهربائي تدريجيًا من 0.0 إلى 0.4 فولت/أنجستروم بخطوات مقدارها 0.1 فولت/أنجستروم، يصبح تغير نطاق تمدد أول أكسيد الكربون أكثر وضوحًا. مع زيادة شدة المجال الكهربائي، يختفي فرع P/R من نطاق تمدد CO تدريجيًا وتصبح ذروة الامتصاص أكثر حدة.

بالإضافة إلى ذلك، تنبأ FIREANN بأن المجال الكهربائي المطبق من شأنه أن يقلل من قوة الروابط الكيميائية، مما يتسبب في تحول اهتزاز تمدد أول أكسيد الكربون إلى اللون الأحمر، مع مسافة متناسبة مع قوة المجال الكهربائي. 

نتائج تنبؤات FIREANN لـ NMA عند 300 كلفن تحت مجالات كهربائية مختلفة

سائل: متوافق بشكل كبير مع النظام الدوري

وللتحقق من قدرة نموذج FIREANN على التنبؤ باستجابة نظام دوري لحقل كهربائي مطبق، أجرى الباحثون اختبارات في الماء السائل.. على عكس الأنظمة الجزيئية، فإن شدة الاستقطاب (عزم ثنائي القطب لكل وحدة حجم) للأنظمة الدورية هي كمية متعددة القيم، مما يؤدي إلى وجود فروع متوازية متعددة ويسبب تغييرات مفاجئة في عزم ثنائي القطب.

في تنبؤ AIMD، يمكننا أن نرى بوضوح عدم استمرارية النتائج الناجمة عن التغيير المفاجئ في عزم ثنائي القطب. وبعد تطبيق المجال الكهربائي الخارجي، ستصبح هذه الطفرة أكثر تكرارا، مما يشكل تحديا لخوارزميات التعلم الآلي التقليدية.

AIMD، تحليل AIMD وFIREANN المعدل لعزم ثنائي القطب للماء السائل بدون مجال (أ) ومع مجال (ب)

في إطار عمل FIREANN، نظرًا لأن النموذج يدرب القوى الذرية فقط في وجود مجال كهربائي، فإن تدرج الطاقة في النظام لا يتأثر فعليًا، وبالتالي يمكن التغلب على هذه المشكلة بسهولة.

ولتحقيق هذه الغاية، قام الباحثون ببناء نموذج يحتوي على 64 جزيئًا من الماء، وقوة مجال كهربائي تبلغ 0.6 فولت/أنجستروم في اتجاه x، والقوى الذرية ككائن التنبؤ الوحيد، والذي يسمى FIREANN-wF.إن تنبؤات النموذج للقوى الذرية متوافقة إلى حد كبير مع التجارب، مع خطأ الجذر التربيعي المتوسط الذي يبلغ 39.4 ميجا فولت/أنجستروم فقط.

إن تنبؤات FIREANN-wF لوظائف التوزيع الشعاعي الحر للمجال (RDFs) للمياه السائلة تتوافق أيضًا مع نتائج DFT والنتائج التجريبية.

تنبؤات FIREANN لوظائف التوزيع الشعاعي لـ OO (a) وOH (b) وHH (c) والمقارنة بالنتائج التجريبية

إن عزم ثنائي القطب له تأثير مهم على طيف الأشعة تحت الحمراء. نظرًا لأن نموذج FIREANN-wF يحلل التأثيرات الكمومية النووية،يمكنه التنبؤ بشكل صحيح بسطح الطاقة الكامنة (PES) وسطح عزم ثنائي القطب، وهو ما يتوافق مع نتائج DFT.

ثم تم استخدام FIREANN-wF للتنبؤ بأطياف الأشعة تحت الحمراء بعد تطبيق 0.4 V/Å. نظرًا لأن المجال الكهربائي يقلل من قوة الرابطة OH ويحفز جزيئات الماء على إعادة توجيهها بالتوازي مع المجال الكهربائي، فإن شريط تمدد OH في الطيف يظهر انزياحًا أحمر واضحًا. 

تنبؤات FIREANN لطيف الماء السائل بدون مجال (أ) ومع مجال (ب) والمقارنة بالنتائج التجريبية

مقارنة مع REANN: الاستقراء والتدريب عالي السرعة

على الرغم من وجود نماذج ذات أساليب تدريب مشابهة لـ FIREANN-wF، فإن أساليب معالجتها للحقول الخارجية مختلفة تمامًا.ويؤدي هذا إلى عدم قدرة هذه النماذج على التنبؤ بالتفاعلات ذات الدرجة الأعلى..

في FIREANN، بعد إدخال المدارات الذرية المعتمدة على المجال، يمكن للنموذج التقاط استجابة كثافة الإلكترون للحقول الخارجية من خلال التفاعل بين المدارات..

لقد قمنا بمقارنة الاختلافات بين FIREANN و FieldSchNet في جزيئات الماء في المقال السابق، ولا يزال هذا الاختلاف موجودًا في الأنظمة الدورية.

قام الباحثون بإنشاء نظام اختبار باستخدام جزيئات الماء ومجال كهربائي في اتجاه x. تبلغ أخطاء RMS المتوقعة لـ FIREANN وFieldSchNet 54.5 meV/Å و245.4 meV/Å على التوالي. على غرار النتائج السابقة،يمكن لـ FIREANN استقراء التوقعات إلى ±2 V/Å، وهي قدرة غير متوفرة مع FieldSchNet.

نتائج استقراء DFT وFIREANN وFieldSchNet لطاقة نظام الماء السائل تحت تأثير المجال الكهربائي المتغير

من حيث وقت التدريب، على A100 مع 80 جيجابايت من ذاكرة الفيديو، يستغرق FieldSchNet 7.6 دقيقة لكل عصر، بينما يستغرق FIREANN 2.4 دقيقة فقط..

تفاعلات الجزيئات والحقول: أجهزة التحكم عن بعد للأنظمة المجهرية

يوفر التفاعل بين الأنظمة الكيميائية والمجالات الخارجية نافذة لدراسة الأنظمة المجهرية وأداة قوية للتلاعب بالأنظمة المجهرية.. من خلال تنظيم المجال الكهربائي الخارجي، من الممكن تغيير البنية الكيميائية للمادة، وتعزيز نقل الإلكترونات، والتحكم في التحولات الطورية للمادة والتغيرات التكوينية للجزيئات الحيوية، وضبط انتقائية المحفزات، وحتى التأثير على ديناميكيات الكم للتفاعلات الكيميائية الباردة.

يمكن أن يؤدي تطبيق مجال كهربائي بين طرف المجهر النفقي الماسح وسطح المعدن إلى تحويل مشتقات الأزوبنزين على سطح المعدن من ترانس إلى سيس بشكل عكسي.

ازوميرات الأزوبنزين عبر السيس على سطح الذهب (111)

وعلى نحو مماثل، فإن تغيير اتجاه المجال الكهربائي يمكن أن يؤدي إلى تغيير نمط خلط الجزيئات على المستوى النانوي.

طرق خلط 1،3،5-تريس (4-كاربوكسي فينيل) بنزين وحمض ثلاثي السيليسيك عند جهد مختلف

ويمكن القول أن التفاعل بين الجزيئات والحقول الخارجية هو التحكم عن بعد في النظام المجهري.. إن فهم هذا التفاعل له أهمية كبيرة للبحث العلمي على المستوى المجهري. يمكن لـ FIREANN تحليل التفاعل بين الأنظمة الدورية وغير الدورية والمجالات الخارجية بدقة، والتنبؤ باستجابة أنظمة الترتيب التعسفي، مما يوفر طريقة جديدة للبحث المجهري..

روابط مرجعية:

[1]https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/ja065449s 

[2]https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acsnano.7b04610

-- زيادة--