Le Groupe De Recherche De Jiang Bin À L'ustc a Développé FIREANN Pour Analyser La Réponse Des Atomes Aux Champs Externes
Contenu en un coup d'œil :L’utilisation de méthodes traditionnelles pour analyser l’interaction entre les systèmes chimiques et les champs externes présente des inconvénients tels qu’une faible efficacité et un coût élevé. Le groupe de recherche de Jiang Bin à l'Université des sciences et technologies de Chine a introduit des caractéristiques liées au champ dans la description de l'environnement atomique et a développé FIREANN, qui a utilisé l'apprentissage automatique pour fournir une bonne description de la corrélation de champ du système.
Mots-clés:Physique chimique Dynamique moléculaire Champs externes
Auteur | Xuecai
Rédacteur | Li Baozhu
L'interaction entre les systèmes chimiques et les champs externes est cruciale dans les processus physiques, chimiques et biologiques. Les champs externes, principalement les champs électriques, peuvent interagir avec les atomes, les molécules et la matière condensée, provoquant une polarisation des électrons ou du spin, ou modifiant l'orientation spatiale du système.
La théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT) et la dynamique moléculaire ab initio (AIMD) ont été utilisées pour étudier des systèmes périodiques et non périodiques complexes sous des champs électriques appliqués. Cependant,Les applications AIMD sont exigeantes, ce qui est particulièrement difficile à utiliser dans les systèmes où les effets quantiques nucléaires (NQE) sont importants.
L'analyse empirique du champ de force est très efficace mais sa précision est limitée, tandis que les calculs précis de diffusion quantique dépendant du champ ne sont applicables qu'aux très petits systèmes..
en même temps,L'apprentissage automatique (ML) a obtenu des résultats remarquables dans la résolution de problèmes de chimie de grande dimension. Cependant, la plupart des modèles d’apprentissage automatique séparent l’énergie potentielle et la réponse du système au champ électrique, ignorant la corrélation de champ du système.
à cette fin,Le groupe de Jiang Bin à l'Université des sciences et technologies de Chine a introduit des caractéristiques liées au champ dans la description des environnements atomiques et a développé le réseau neuronal atomique à intégration récursive induite par champ (FIREANN). FIREANN peut non seulement décrire avec précision la tendance changeante de l'énergie du système lorsque l'intensité et la direction du champ externe changent, mais également prédire la réponse du système de n'importe quel ordre. Ce résultat a été publié dans « Nature Communication ».
Ce résultat a été publié dans Nature Communications.
Lien vers l'article :
https://www.nature.com/articles/s41467-023-42148-y
Lien du modèle FIREANN :
https://github.com/zhangylch/FIREANN
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FIREANN:REANN + vecteur de champ pseudo-atomique
La base de FIREANN est le modèle REANN, qui décrit l'environnement atomique via des densités atomiques intégrées (EAD).Lorsqu'un champ externe est appliqué, la densité électronique sera redistribuée et l'invariance rotationnelle du système sera détruite.. L’interaction entre le système et le champ externe sera évidemment affectée par la force et la direction du champ électrique.
L'architecture de FIREANN
FIREANN attribue un vecteur de champ pseudo-atomique à chaque atome qui simule le comportement d'un atome réel., puis les deux sont combinés pour obtenir la densité atomique intégrée dépendante du champ, qui est utilisée comme entrée du réseau neuronal, et produit enfin des quantités physiques telles que la force atomique, le moment dipolaire et la polarisabilité.
Le vecteur de champ pseudo-atomique de chaque atome peut être exprimé comme :
Alors,Combinaison d'orbitales dépendantes du champ et d'orbitales gaussiennes (GTO) dans des vecteurs EAD induits par le champ (FI-EAD):
Ici, le champ externe auquel chaque atome est soumis est représenté par le vecteur de position du pseudo-atome par rapport à l'atome. FI-EAD peut alors être réécrit en termes de distances interatomiques et d'angles fermés :
Vérification expérimentale
Modèle de jouet: Prédiction et extrapolation précises des molécules d'eau
Les chercheurs ont d'abord utilisé des molécules d'eau comme système jouet pour vérifier les prédictions de FIREANN sur l'interaction système-champ externe.. Il y a une molécule d'eau sur le plan yz et un champ électrique d'une intensité de 0,1 V/Å dans la direction x.
Étant donné que le champ externe et le plan moléculaire sont toujours orthogonaux, l’énergie potentielle de la molécule ne changera pas. FIREANN avait prédit avec précision ce résultat.
en même temps,FIREANN prédit avec précision l'interaction dipôle-champ électrique lorsqu'une molécule tourne le long de l'axe des y.
Prédiction FIREANN de l'influence du champ électrique externe sur les molécules d'eau à la surface yz
a : Les molécules d’eau tournent le long de l’axe des x ;
b : La rotation des molécules d’eau le long de l’axe y ;
c : Résultats de prédiction de DFT, FIREANN et FieldSchNet lorsque l'intensité du champ électrique varie.
FIREANN dispose également de fortes capacités d'extrapolation, en utilisant seulement une seule donnée d'entraînement, nous avons pu déduire le changement d'énergie potentielle moléculaire lorsque l'intensité du champ électrique était comprise entre -0,2 et 0,2 V/Å. C’est quelque chose que le modèle FieldSchNet traditionnel ne peut pas faire.
NMA:Prédiction précise des spectres IR
Une caractéristique typique de FIREANN est queIl peut prédire en une seule étape les caractéristiques énergétiques et de réponse des systèmes chimiques en présence et en l'absence de champs externes..
Les chercheurs ont effectué des tests sur le N-méthylacétamide (NMA). Lorsque le champ électrique externe varie de 0,0 à 0,4 V/Å, FIREANN peut prédire efficacement l'énergie, le moment dipolaire et la polarisabilité des molécules NMA.Les erreurs quadratiques moyennes (RMSE) sont respectivement de 0,0053 eV, 0,028 Debye et 0,51 au. .
Diagramme de corrélation des prédictions FIREANN et DFT de l'énergie NMA (a), du moment dipolaire (b) et de la polarisabilité (c)
FIREANN fait également des prédictions sur les spectres moléculaires dans le champ. Lorsque l'intensité du champ électrique augmente progressivement de 0,0 à 0,4 V/Å par paliers de 0,1 V/Å, le changement de la bande d'étirement du CO est le plus évident. À mesure que l'intensité du champ électrique augmente, la branche P/R de la bande d'étirement du CO disparaît progressivement et le pic d'absorption devient plus net.
De plus, FIREANN a prédit qu'un champ électrique appliqué réduirait la force des liaisons chimiques, provoquant un décalage vers le rouge de la vibration d'étirement du CO, la distance étant proportionnelle à l'intensité du champ électrique.
Résultats de la prédiction FIREANN de NMA à 300 K sous différents champs électriques
liquide: Très cohérent avec le système périodique
Pour vérifier la capacité du modèle FIREANN à prédire la réponse d’un système périodique à un champ électrique appliqué, les chercheurs ont effectué des tests dans de l’eau liquide.. Contrairement aux systèmes moléculaires, l'intensité de polarisation (moment dipolaire par unité de volume) des systèmes périodiques est une quantité à valeurs multiples, ce qui conduit à l'existence de multiples branches parallèles et provoque des changements soudains dans le moment dipolaire.
Dans la prédiction AIMD, nous pouvons clairement voir la discontinuité des résultats causée par le changement soudain du moment dipolaire. Après l’application du champ électrique externe, cette mutation deviendra plus fréquente, ce qui pose un défi aux algorithmes d’apprentissage automatique traditionnels.
Analyse AIMD, AIMD modifiée et FIREANN du moment dipolaire de l'eau liquide sans champ (a) et avec champ (b)
Dans le cadre FIREANN, étant donné que le modèle entraîne uniquement les forces atomiques en présence d'un champ électrique, le gradient énergétique du système n'est en fait pas affecté, ce problème est donc facilement contourné.
À cette fin, les chercheurs ont construit un modèle contenant 64 molécules d'eau, une intensité de champ électrique de 0,6 V/Å dans la direction x et des forces atomiques comme seul objet de prédiction, appelé FIREANN-wF.Les prédictions du modèle concernant les forces atomiques sont très cohérentes avec les expériences, avec une erreur quadratique moyenne de seulement 39,4 meV/Å.
Les prédictions de FIREANN-wF pour les fonctions de distribution radiale sans champ (RDF) de l'eau liquide sont également cohérentes avec la DFT et les résultats expérimentaux.
Prédictions FIREANN des fonctions de distribution radiale de OO (a), OH (b) et HH (c) et comparaison avec les résultats expérimentaux
Le moment dipolaire a une influence importante sur le spectre IR. Étant donné que le modèle FIREANN-wF analyse les effets quantiques nucléaires,Il peut prédire correctement la surface d'énergie potentielle (PES) et la surface du moment dipolaire, ce qui est cohérent avec les résultats de la DFT.
Ensuite, FIREANN-wF a été utilisé pour prédire les spectres IR après application de 0,4 V/Å. Étant donné que le champ électrique réduit la force de la liaison OH et incite les molécules d'eau à se réorienter parallèlement au champ électrique, la bande d'étirement OH dans le spectre présente un décalage vers le rouge évident.
Prédiction de FIREANN du spectre de l'eau liquide sans champ (a) et avec champ (b) et comparaison avec les résultats expérimentaux
Comparer à REANN: Extrapolation et formation à grande vitesse
Bien qu'il existe des modèles avec des méthodes de formation similaires à celles de FIREANN-wF, leurs méthodes de traitement des champs externes sont complètement différentes.Cela entraîne l’incapacité de ces modèles à prédire les interactions d’ordre supérieur..
Dans FIREANN, après l'introduction des orbitales atomiques dépendantes du champ, le modèle peut capturer la réponse de la densité électronique aux champs externes via l'interaction entre les orbitales..
Nous avons comparé les différences entre FIREANN et FieldSchNet dans les molécules d'eau dans l'article précédent, et cette différence existe toujours dans les systèmes périodiques.
Les chercheurs ont mis en place un système de test utilisant des molécules d’eau et un champ électrique dans la direction x. Les erreurs RMS prédites de FIREANN et FieldSchNet sont respectivement de 54,5 meV/Å et 245,4 meV/Å. Similaire aux résultats précédents,FIREANN peut extrapoler des prédictions à ±2 V/Å, une capacité non disponible avec FieldSchNet.
Résultats d'extrapolation DFT, FIREANN et FieldSchNet de l'énergie du système d'eau liquide sous un champ électrique changeant
En termes de temps de formation, sur un A100 avec 80 Go de mémoire vidéo, FieldSchNet prend 7,6 minutes par époque, tandis que FIREANN ne prend que 2,4 minutes..
Interactions molécule-champ : télécommandes pour systèmes microscopiques
L’interaction entre les systèmes chimiques et les champs externes offre une fenêtre pour l’étude des systèmes microscopiques et un outil puissant pour manipuler les systèmes microscopiques.. En régulant le champ électrique externe, il est possible de modifier la structure chimique de la matière, de favoriser le transfert d'électrons, de contrôler les transitions de phase de la matière et les changements conformationnels des biomolécules, d'ajuster la sélectivité des catalyseurs et même d'affecter la dynamique quantique des réactions chimiques froides.
L'application d'un champ électrique entre la pointe d'un microscope à effet tunnel et la surface métallique peut isomériser de manière réversible les dérivés d'azobenzène sur la surface métallique de trans à cis.
Isomérisation trans-cis de l'azobenzène sur la surface de l'or (111)
De même, changer l’orientation du champ électrique peut modifier le modèle de mélange des molécules à l’échelle nanométrique.
Modes de mélange du 1,3,5-tris(4-carboxyphényl)benzène et de l'acide trisilicique à différentes tensions
On peut dire que l’interaction entre les molécules et les champs externes est la télécommande du système microscopique.. Comprendre cette interaction est d’une grande importance pour la recherche scientifique à l’échelle microscopique. FIREANN peut analyser avec précision l'interaction entre les systèmes périodiques et non périodiques et les champs externes, et prédire la réponse des systèmes d'ordre arbitraire, offrant ainsi une nouvelle méthode de recherche microscopique..
Liens de référence :
[1]https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/ja065449s
[2]https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acsnano.7b04610
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