2021首期Nature封面：牛津大學(xué)ML算法實現(xiàn)10萬高壓非晶硅原子的模擬

自生物領(lǐng)域之后，材料領(lǐng)域也被人工智能攻陷了。

依靠算法推斷能力和強大的算力，很多人都認(rèn)為 AI 在材料設(shè)計、材料篩選和材料性能預(yù)測等領(lǐng)域擁有很大潛力。

為了對一般無序結(jié)構(gòu)材料有更深的理解，人們廣泛研究了非晶硅在高壓條件下的富相行為。然而在和原子打交道的層面上，人們一直需要借助量子力學(xué)來理解材料的結(jié)構(gòu)和鍵合，這僅限于尺度很小的模型系統(tǒng)，如果用機器學(xué)習(xí)算法從量子力學(xué)數(shù)據(jù)中「學(xué)習(xí)」會是怎么樣？

在 2021 年的第一期《自然》雜志封面研究中，來自牛津大學(xué)的 Volker Deringer 等人展示了模擬加壓非晶硅的原子機器學(xué)習(xí)模型，成功解決了這一挑戰(zhàn)，并捕獲了實驗中遇到的所有結(jié)構(gòu)變化。這種計算方法可以為實驗條件極富挑戰(zhàn)性的材料預(yù)測建模開啟全新的方式。

這是 2020 年 12 月 DeepMind 人工智能解決生物學(xué) 50 年來重大挑戰(zhàn)之后，人工智能在又一個新的領(lǐng)域展現(xiàn)強大能力?，F(xiàn)在，人類已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn) 10 納米尺度，十萬個硅原子系統(tǒng)的模擬——使用常規(guī)方法的話，即使是超級計算機也需要耗費大量時間。

該研究的團隊，除了牛津大學(xué)副教授、計算化學(xué)家 Volker Deringer 之外，還有來自美國、瑞士等國，劍橋大學(xué)、美國海軍研究實驗室、洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院、俄亥俄大學(xué)等研究機構(gòu)的學(xué)者。

「這項工作是機器學(xué)習(xí)和計算化學(xué)在原子層面上提供對材料新見解的一個范例——- 描述結(jié)構(gòu)復(fù)雜的相（非晶形、納米晶等）及其轉(zhuǎn)化。我很期待未來將會發(fā)生什么！」在論文發(fā)表后，Volker Deringer 說道。

牛津大學(xué)理論與計算無機化學(xué)副教授 Volker Deringer。

非晶硅結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變的歷史回顧

非晶硅又稱無定形硅，是單質(zhì)硅的一種形態(tài)，其不具有完整的金剛石晶胞，熔點、密度和硬度也明顯低于晶體硅。這種介于固體和液體之間、無固定形式的過渡物質(zhì)很難研究，而現(xiàn)在機器學(xué)習(xí)提供了對壓力誘導(dǎo)的非晶硅變化的全新見解。

研究人員正在開發(fā)機器學(xué)習(xí)方法以精確模擬無序固體和液體的結(jié)構(gòu)和化學(xué)鍵，建模充足數(shù)量的原子以便與實驗數(shù)據(jù)進行直接比較。在這篇《Nature》封面論文中，Deringer 等人使用這種方法探索壓縮下非晶硅的結(jié)構(gòu)，此時這種元素從半導(dǎo)體態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榻饘賾B(tài)。研究表明，非晶態(tài)材料的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變比結(jié)晶相之間的轉(zhuǎn)變要緩慢得多，且涉及納米結(jié)構(gòu)域的形成以及任何結(jié)晶態(tài)中都未發(fā)現(xiàn)的局部原子排列。

論文地址：https://www.nature.com/articles/s41586-020-03072-z

硅屬于融化時密度上升的元素，這一不尋?，F(xiàn)象還發(fā)生在冰上（冰的密度低于水，因而可以浮在水上）。這種出人意料的固液態(tài)密度反轉(zhuǎn)與一種叫做多非晶型轉(zhuǎn)變（polyamorphism），即物質(zhì)以不同非晶相存在時，其結(jié)構(gòu)和屬性有顯著區(qū)別。

液態(tài)硅在環(huán)境中是金屬導(dǎo)體，而固態(tài)硅是半導(dǎo)體，這一事實支撐了它們在計算機芯片、太陽能電池板等技術(shù)領(lǐng)域中的應(yīng)用。在室溫條件下，固態(tài)硅可以呈現(xiàn)結(jié)晶或無序結(jié)構(gòu)的非結(jié)晶形式。在這兩種形式下，每個原子都以四面體排列鍵合到其他四個原子上。但在壓縮條件下，結(jié)晶和非結(jié)晶固態(tài)硅轉(zhuǎn)變?yōu)榱烁旅艿慕Y(jié)構(gòu)，這一過程還伴隨著向金屬導(dǎo)電性能的轉(zhuǎn)變。

20 世紀(jì) 70 年代，研究人員進行了量熱實驗，以研究加熱和冷卻過程中伴隨非結(jié)晶和結(jié)晶硅形式轉(zhuǎn)變的能量變化。結(jié)果表明，存在兩種非結(jié)晶形式的硅，并且二者之間存在相變。之后的模擬實驗表明，硅從低密度非結(jié)晶（LDA）相（其配位數(shù)，即每個硅原子周圍的原子數(shù)為 4）轉(zhuǎn)變?yōu)楦呙芏确墙Y(jié)晶（HDA）相，后者的結(jié)構(gòu)類似于金屬液態(tài)硅。在非結(jié)晶固態(tài)硅的快速加熱過程以及環(huán)境溫度下非結(jié)晶硅的壓縮過程中都發(fā)現(xiàn)了這種 LDA-HDA 相變。

硅結(jié)晶相之間的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變可以通過衍射方法輕松地觀察到，但非結(jié)晶態(tài)之間的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變卻更難展開研究，這是因為隨著密度的增加結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變的次數(shù)越來越少。這時計算機模擬開始發(fā)揮作用：它們能夠可視化不同相原子的排列，并對產(chǎn)生的特性進行預(yù)測和解釋。這里的主要挑戰(zhàn)是建模充足的原子以對模擬結(jié)果和真實樣本的宏觀數(shù)據(jù)進行比較，同時保持足夠的精度以對原子的排列和鍵合進行描述。

在研究相變的過程中，計算機模擬還受自身時間尺度的限制。當(dāng)前可用的計算資源常常將基于準(zhǔn)確量子力學(xué)計算的模擬限制在包含數(shù)十至數(shù)百個原子的系統(tǒng)上，且時間尺度通常為飛秒（1 飛秒等于 10^-15 秒）。使用較少計算需求量建模策略的模擬則可以擴展至數(shù)百或數(shù)千個原子。但隨著系統(tǒng)規(guī)模的增大或者模擬時長的增加，對研究材料結(jié)構(gòu)和物理屬性的預(yù)測準(zhǔn)確率會有所下降。

機器學(xué)習(xí)算法模擬高壓非晶硅原子

而 Deringer 等人最近提出的方法通過機器學(xué)習(xí)，對包含 10 萬個硅原子的系統(tǒng)從冷卻的液態(tài)到 20 萬大氣壓（20GPa）壓縮過程提供了前所未有的結(jié)構(gòu)和鍵能信息。這表明，人們可以建模的原子數(shù)大大增加了，同時該方法的精度接近于使用量子力學(xué)計算從第一性原理進行的最佳模擬精度。

最重要的是，這一建模系統(tǒng)足夠強大，可以揭示出原子無定形簇的亞穩(wěn)態(tài)聚集。該模擬還發(fā)現(xiàn)了新的結(jié)晶現(xiàn)象，而此前使用較少原子數(shù)或精度較差模型來描述原子交互的那些模擬并未觀察到這一現(xiàn)象。這些發(fā)現(xiàn)高擬真度地再現(xiàn)了實驗中觀察到的溫度和壓力，這些溫度和壓力涉及從宏觀上觀察到的硅熔化、其他相變以及金屬行為的開始。

模擬表明，壓縮時發(fā)生的結(jié)構(gòu)變化要比人們以前意識到得更加復(fù)雜（如下圖）。和硅在結(jié)晶相之間的轉(zhuǎn)變一樣，此時處于配位數(shù)為 4 的排列中的原子不會同時轉(zhuǎn)變?yōu)榕湮粩?shù)更高的相。取而代之的是，非晶結(jié)構(gòu)逐漸演化以產(chǎn)生具有高配位數(shù)的高密度納米尺度疇（nanoscale domain），它在原始的四面體 LDA 結(jié)構(gòu)內(nèi)發(fā)展得到。隨著密度增加，HDA 域之間會形成連接，從而產(chǎn)生一種具有整體金屬導(dǎo)電性的材料。通過在壓縮硅上施加方向性應(yīng)力，我們可以在現(xiàn)實世界中修改這種單質(zhì)的金屬導(dǎo)電性。

Deringer 等人研究中對于非晶硅的大規(guī)模模擬。

該研究的模擬還表明，隨著系統(tǒng)進一步被壓縮，它的體積可以快速坍塌約 25%，從而帶來非常高密度的金屬態(tài)。這在模擬的納秒級即可快速實現(xiàn)結(jié)晶化，形成硅金屬相的納米疇。

液態(tài)硅的壓縮過程。

這一結(jié)果可以幫助我們理解多非晶型形轉(zhuǎn)變?nèi)绾胃毡榈爻霈F(xiàn)在不同液相和玻璃態(tài)結(jié)構(gòu)之間。Deringer 及其同事的機器學(xué)習(xí)方法可以在皮秒級時間內(nèi)準(zhǔn)確模擬非晶硅（1 皮秒等于 10^?12 秒），其溫度和壓力范圍和液相與晶相、液態(tài)與玻璃態(tài)、兩個非晶相之間的轉(zhuǎn)變有關(guān)。因而這項研究發(fā)現(xiàn)為學(xué)習(xí)此前難以探索的大量非晶材料的轉(zhuǎn)變提供了契機。

過冷液態(tài)硅的玻璃化。

該研究提出的方法還可用于探索非晶硅轉(zhuǎn)換的可能性，或硅中包含少量其他元素的「混雜」材料，以生成包含金屬和半導(dǎo)體的納米結(jié)構(gòu)。這類納米結(jié)構(gòu)可能為開發(fā)新技術(shù)，如電子通信、數(shù)據(jù)處理和能量收集，創(chuàng)造新的機會。

參考內(nèi)容：

https://www.nature.com/articles/d41586-020-03574-w