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復(fù)旦劉智攀教授Chem. Sci.: 機(jī)器學(xué)習(xí)勢在沸石模擬中的應(yīng)用概述

由于沸石具有多元素（通常是Si-Al-P-O-H五元素）、成分多變、微觀結(jié)構(gòu)豐富、周期性大的特點(diǎn)，因此對沸石的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)進(jìn)行預(yù)測一直是一個(gè)很大的挑戰(zhàn)。機(jī)器學(xué)習(xí)（ML）勢作為近年來發(fā)展起來的一種理論方法，旨在準(zhǔn)確、經(jīng)濟(jì)地描述復(fù)雜材料體系的勢能面（PES），有望為沸石研究領(lǐng)域提供突破性的貢獻(xiàn)。

圖1. 沸石穩(wěn)定性和形成機(jī)理的理論研究路線圖

在此，復(fù)旦大學(xué)劉智攀教授等人概述了沸石原子模擬的現(xiàn)狀，并展示了先進(jìn)的ML勢在沸石系統(tǒng)中的一些應(yīng)用。首先，作者簡要回顧了使用從經(jīng)典力場到量子力學(xué)計(jì)算和最新ML勢等模擬工具對沸石的理論研究。ML勢作為下一代原子模擬技術(shù)開辟了模擬和解釋沸石系統(tǒng)的新途徑，從而為最終預(yù)測沸石的結(jié)構(gòu)-功能關(guān)系提供了廣闊的前景。

然后，作者從兩個(gè)主要方面總結(jié)了使用ML勢的最新進(jìn)展：沸石穩(wěn)定性的起源和沸石相關(guān)催化反應(yīng)的機(jī)理。此外，作者還討論了ML勢應(yīng)用的可能場景，不應(yīng)僅局限于個(gè)案研究方式的大規(guī)模原子模擬。這些先進(jìn)應(yīng)用包括沸石穩(wěn)定性評(píng)價(jià)、形態(tài)/暴露表面的預(yù)測及酸度預(yù)測，可通過將基于云計(jì)算的技術(shù)與基于ML勢的原子模擬相結(jié)合來實(shí)現(xiàn)。

圖2. 沸石穩(wěn)定性在線評(píng)價(jià)

最后，作者展望了ML勢在沸石模擬方面的未來發(fā)展：

（1）在提高計(jì)算精度方面，應(yīng)注意準(zhǔn)確性和速度是一對悖論，需要在實(shí)踐中取得平衡。作者開發(fā)的G-NN勢代表了一種具有理想可轉(zhuǎn)移性和對復(fù)雜材料具有良好可預(yù)測性的ML勢，還開發(fā)了一種多網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)以進(jìn)一步提高準(zhǔn)確性并增加描述多元素系統(tǒng)的能力；

（2）擴(kuò)大應(yīng)用范圍方面，不限于催化劑，沸石還被用作分離氣體且最近用作固態(tài)鋰離子電池的固體電解質(zhì)，這些應(yīng)用要求詳細(xì)了解沸石中氣體分子和堿金屬陽離子的擴(kuò)散和遷移。因此，為這些系統(tǒng)構(gòu)建ML勢并創(chuàng)建在線數(shù)據(jù)庫有利于加速材料設(shè)計(jì)；

（3）在構(gòu)建沸石相關(guān)數(shù)據(jù)集方面，收集和生成數(shù)據(jù)的共同努力在ML時(shí)代是絕對重要的。目前，各研究小組之間的數(shù)據(jù)交換和方法共享需要更加簡單和透明?？傊磥砣杂凶銐虻目臻g開發(fā)新的ML方法來加速沸石的基礎(chǔ)研究和應(yīng)用。

圖3. 雙網(wǎng)絡(luò)框架的示意圖

Machine learning potential era of zeolite simulation, Chemical Science 2022. DOI: 10.1039/D2SC01225A

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