科學(xué)家們正在使用機(jī)器學(xué)習(xí)來(lái)加速開(kāi)發(fā)可以利用陽(yáng)光能量的材料。

利用陽(yáng)光有望成為為下一代技術(shù)(從太陽(yáng)能燃料電池到水處理系統(tǒng))清潔產(chǎn)生可再生能源的一種手段。此類(lèi)技術(shù)需要了解材料和分子吸收陽(yáng)光時(shí)會(huì)發(fā)生什么。

計(jì)算機(jī)模擬可以幫助我們更好地理解光與物質(zhì)的相互作用。但是，對(duì)具有多種類(lèi)型結(jié)構(gòu)(例如固體/水界面)的材料進(jìn)行建模是一項(xiàng)復(fù)雜的任務(wù)。但是現(xiàn)在，能源部 (DOE) 阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的一個(gè)研究小組找到了一種簡(jiǎn)化這些建模任務(wù)的方法。

使用基于機(jī)器學(xué)習(xí)的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)方法，該團(tuán)隊(duì)能夠簡(jiǎn)化描述光如何被固體、液體或分子吸收的量子力學(xué)方程的解。研究結(jié)果最近發(fā)表在《化學(xué)科學(xué)》上。

該研究的合著者兼阿貢材料科學(xué)助理科學(xué)家 Marco Govoni 說(shuō)：“起初這當(dāng)然不直觀，但事實(shí)證明，機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)可用于與識(shí)別圖像或預(yù)測(cè)消費(fèi)者需求大不相同的目的。”分配。

訣竅?認(rèn)識(shí)到并非量子力學(xué)方程的所有項(xiàng)都需要以相同的方式計(jì)算。事實(shí)上，可以從更簡(jiǎn)單的數(shù)量中計(jì)算或?qū)W習(xí)某些術(shù)語(yǔ)，從而顯著加快整體模擬。

“我們工作的一個(gè)重要實(shí)現(xiàn)是理解我們可以重復(fù)使用為給定固體或液體獲得的信息，而無(wú)需對(duì)類(lèi)似系統(tǒng)重復(fù)計(jì)算。本質(zhì)上，我們提出了一種回收協(xié)議，以降低模擬所需的計(jì)算復(fù)雜性材料和分子對(duì)光的吸收，”進(jìn)行這項(xiàng)研究時(shí)是阿貢的博士后研究員、現(xiàn)任東北大學(xué)助理教授的董思佳說(shuō)。

當(dāng)涉及在高性能計(jì)算架構(gòu)上可能需要數(shù)小時(shí)甚至數(shù)天的模擬時(shí)，這些協(xié)議可以節(jié)省大量成本。

事實(shí)上，該團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)的技術(shù)使復(fù)雜系統(tǒng)吸收光譜的模擬運(yùn)行速度提高了 10 到 200 倍。這些系統(tǒng)包括固體/液體界面，例如水和光電極(一種可以將陽(yáng)光轉(zhuǎn)化為電能的材料)之間的界面。

“我們的研究還深入了解了如何改進(jìn)和修改模擬中使用的基礎(chǔ)理論，”阿貢能源-水系統(tǒng)先進(jìn)材料 (AMEWS) 中心材料科學(xué)部高級(jí)科學(xué)家兼戰(zhàn)略副主任 Giulia Galli 說(shuō)。 . Galli 還是芝加哥大學(xué)的 Liew Family 分子工程教授和化學(xué)教授，以及總部位于阿貢的中西部計(jì)算材料綜合中心 (MICCoM) 的主任。

“我們的機(jī)器學(xué)習(xí)練習(xí)的影響比預(yù)期的更深遠(yuǎn);我們采用的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)方法向我們展示了在比我們開(kāi)始研究的系統(tǒng)更現(xiàn)實(shí)、更復(fù)雜的系統(tǒng)中研究光物質(zhì)相互作用的新方法，”加利補(bǔ)充道。

該團(tuán)隊(duì)現(xiàn)在正在考慮將這些捷徑和回收協(xié)議應(yīng)用于電子結(jié)構(gòu)問(wèn)題，不僅與光吸收有關(guān)，而且還與量子傳感應(yīng)用的光操縱有關(guān)。