_ Exploatarea simetriilor: accelerarea studiului computațional a soluțiilor solide

Simetria este o caracteristică predominantă a naturii la toate scările. De exemplu, ochii noștri liberi pot identifica cu ușurință simetriile în forma corporală a nenumărate organisme. Simetria este, de asemenea, foarte importantă în domeniile fizicii și chimiei, în special în domeniul microscopic al atomilor și al moleculelor. Cristalele, care sunt materiale foarte ordonate, pot avea chiar și mai multe tipuri de simetrie în același timp, cum ar fi simetria rotațională, simetria inversă și simetria translațională.

În ultimul timp, alături de progresul rapid în informatică, cercetătorii au au dezvoltat metode de calcul care urmăresc să prezică proprietățile fizice ale cristalelor pe baza structurii lor electronice. În practică, însă, cristalele pure și perfect simetrice sunt rareori folosite. Acest lucru se datorează faptului că proprietățile unui cristal pot fi reglate după cum se dorește prin alierea lor cu alte materiale sau înlocuirea aleatorie a anumitor atomi cu alte elemente, adică dopajul.

În consecință, oamenii de știință din materiale caută abordări eficiente din punct de vedere computațional pentru a analiza astfel de aliaje. și cristale substituite, cunoscute și ca soluții solide. „Metoda supercelulei” este o astfel de abordare și este utilizată pe scară largă pentru a modela structuri cristaline cu substituții aleatorii ale diferiților atomi. Simetria cristalelor, cu toate acestea, este de fapt o problemă atunci când se utilizează această tehnică. În cristale, pot exista multe modele de substituție care sunt echivalente fizic cu alte substituții dacă pur și simplu le translatăm sau le rotim. Descoperirile acestor modele de substituție simetrică nu sunt foarte semnificative și, prin urmare, calculul lor atunci când se utilizează metoda supercelulă este o pierdere de timp.

Într-un studiu recent, o echipă de cercetători condusă de profesorul asistent Kousuke Nakano de la Japan Advanced. Institutul de Știință și Tehnologie (JAIST) a găsit o soluție la această problemă. Ei au dezvoltat un software open-source numit „Suite for High-throughput generation of models with atomic substitutions implemented by Python” sau SHRY care poate, din punct de vedere al simetriei, să genereze modele distincte de substituție în soluții solide și aliaje. Această lucrare, care a fost publicată în Journal of Chemical Information and Modeling, a fost co-autor de studentul doctorand Genki I. Prayogo, dr. Andrea Tirelli, profesor Ryo Maezono și profesor asociat Kenta Hongo.

The echipa a abordat problema din unghiul teoriei grupurilor. Se pare că căutarea modelelor de substituție atomică în cristale este analogă cu problema găsirii modelelor de colorare pe vârfurile graficelor sub anumite restricții. Acest lucru permite reformularea problemei inițiale de a găsi substituții atomice nesimetrice în cristale ca explorarea arborilor de căutare care descriu colorarea vârfurilor în grafice.

Cu toate acestea, modul în care arborele de căutare este explorat este crucial. O abordare simplă, naivă, în care toate ramurile posibile sunt căutate și comparate direct este imposibilă; timpul și calculele necesare cresc necontrolat pentru sistemele mari. Acest lucru se întâmplă deoarece decizia de a explora mai departe într-o ramură necesită informații despre toate celelalte ramuri în afară de cea explorată, care este denumită din punct de vedere tehnic „informații non-locale”.

Pentru a evita această problemă, cercetătorii implementat în SHRY o tehnică numită mărire canonică. „Această metodă poate decide dacă o ramură de copac ar trebui să fie explorată mai profund sau nu pe baza exclusivă a informațiilor locale”, explică dr. Nakano, „Cel mai important, teoremele din teoria grupurilor garantează că vor fi extrase numai modele distincte de substituție, fără supra- sau subexplorarea structurii arborelui în termeni de simetrie.” Echipa a verificat că algoritmul lor nu conține erori, testându-l în detaliu cu date dintr-o bază de date cu structuri cristaline.

Este demn de remarcat faptul că SHRY a fost scris în Python 3, unul dintre cele mai populare limbaje de programare multiplatformă, și încărcat pe GitHub, o platformă online lider de partajare a proiectelor. „SHRY poate fi folosit ca program de sine stătător sau importat într-un alt program Python ca modul”, subliniază Dr. Nakano, „Software-ul nostru utilizează, de asemenea, formatul CIF (Fișier cu informații cristalografice) larg acceptat atât pentru intrarea, cât și pentru ieșire. seturi de structuri cristaline substituite”. Echipa intenționează să continue să îmbunătățească codul SHRY pe baza feedback-ului de la alți utilizatori, sporindu-i viteza și capacitățile.

În general, software-ul dezvoltat în acest studiu ar putea ajuta oamenii de știință să identifice potențialele substituții atomice în solide, care este cea mai mare măsură. strategie comună utilizată pentru a regla proprietățile materialelor pentru aplicații practice. SHRY va ajuta la accelerarea cercetării și la dezvoltarea de cristale substituite cu funcționalități fără precedent și caracteristici superioare.

(Fluierul)