20240326使用机器学习和高通量计算加速发现石墨烯的力学性能

Name**:**Accelerated discoveries of mechanical properties of graphene using machine learning and high-throughput computation

DOI**:** https://doi.org/10.1016/j.carbon.2019.03.046

摘要

在这项工作中,首次使用不同的机器学习算法和人工神经网络(ANN)结构来预测单层石墨烯在系统温度,应变率,空位缺陷和手性等各种影响因素下的力学性能。预测包括断裂应变、断裂强度和杨氏模量。高通量计算(HTC)结合经典的分子动力学(MD)模拟被用来生成ML模型的训练数据集。结果表明,温度和空位缺陷对预测结果都有负面影响,而应变速率与预测结果呈正相关。随机梯度下降法(SGD)不能准确反映不同影响因素对石墨烯力学性能的影响**,而k-近邻法****(KNN)、支持向量机(SVM)、决策树(DT)和人工神经网络(ANN)等方法则能提供理想的预测结果。**

模型

首先,研究模型尺寸对力学性能的影响,发现模型尺寸的影响可以忽略不记,选用11x11nm模型**。**

温度**:1K 10K 100K 300K 600K 1200K。**

应变率**:𝟓*×𝟏𝟎−𝟓,,1× 𝟏𝟎−𝟒, 2.5**× 𝟏𝟎**−𝟒,* 5× 𝟏𝟎***−𝟒,1×* 𝟏𝟎***−𝟒和2.5×** 𝟏𝟎−𝟑ps***。**

单向拉伸变形方向:扶手椅形和锯齿形。

缺陷**:单空位(SV)、双空位(DV)、多空位(MV)和Stone-Wales****(SW)**。

5个速度种子。一共1440**(6x6x4x2x5)个MD模拟。**

MD****模拟

通过MD仿真获得了不同ML模型的训练、验证和测试数据集。所有模拟均使用大规模原子**/分子大规模并行模拟器****(LAMMPS)和自适应分子间反应经验键级****(AIREBO)势进行。时间步长设置为0.1 fs。在各个方向上施加周期性边界条件。在平面外z方向上创建20埃米的真空空间,以避免跨边界相互作用。在扶手椅x或锯齿y方向上对模拟箱的边界施加单轴位移,同时保持其他两个方向上的压力为零。**

对于每种情况,进行了具有不同初始条件(随机种子不同)的五种不同模拟,并对结果进行平均以抑制统计噪声。在拉伸之前,石墨烯片在等温等压(NPT)系综下在目标温度下平衡50 ps。在拉伸过程中**,以0.1 fs的时间步长在目标加载速率下使用位移控制方法****。**

在300 K、应变速率****为 5× 𝟏𝟎**^(-4) ps^(-1),显示了小应变区域中的手征性效应。随着应变的增加,手性依赖性变得更加明显****。**

**为了研究手征性对刚度的影响,同时保持拟合部分在两个方向的线性弹性区域中,选择第一个****2.5%**应变范围来拟合杨氏模量。

不同方向的拉伸差异

影响因素分析

ML模型

机梯度下降法(SGD)、k-近邻法(KNN)、支持向量机(SVM)、决策树(DT)和人工神经网络(ANN)

输入层特征和输出层目标之间的Pearson相关性。

在不包括手性的不同影响因素中,温度对石墨烯的机械性能的影响最强,这与前述MD结果一致。

不同ML模型预测结果

不同ANN神经网络预测结果

结果分析:

结果表明**,石墨烯的力学性能随温度和表面缺陷的增加而恶化,随应变速率的增加而改善。一旦经过训练,ML模型,只需了解系统温度,应变率,表面缺陷条件和手性方向,就能够在几分之一秒内预测石墨烯的机械性能****,**

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