基于深度學(xué)習(xí)的三維團(tuán)簇能量預(yù)測(cè)

楊浩然 張雨晗

摘要：本文主要分析了以金團(tuán)簇為代表的的金屬團(tuán)簇和以硼團(tuán)簇為代表的非金屬團(tuán)簇，通過(guò)利用遺傳優(yōu)化算法和卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)金團(tuán)族的取優(yōu)能重紿N悞型進(jìn)頂測(cè)，T進(jìn)心VMD進(jìn)行可視化分析金團(tuán)簇的原子結(jié)構(gòu)分布。通過(guò)利用聚類算法和HK模型優(yōu)化對(duì)硼團(tuán)簇的最優(yōu)能量結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行預(yù)測(cè)并利用Gaussion 軟件進(jìn)行可視化分析由于本文使用了部分深度學(xué)習(xí)算法，本地電腦配置無(wú)法滿足需求，因此使用到華為云ModelArts深度學(xué)習(xí)訓(xùn)練平臺(tái)進(jìn)行模型訓(xùn)練已達(dá)到更有效果。通過(guò)本文研究分析，可以對(duì)金團(tuán)簇，硼團(tuán)簇全局最優(yōu)結(jié)構(gòu)作出預(yù)測(cè)分析并可視化分析，并對(duì)所用模型的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了一定分析。

關(guān)鍵詞：遺傳優(yōu)化算法;卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò);ModelArts;聚類算法;HK模型優(yōu)化

0 引言

人類物質(zhì)文明的進(jìn)步離不開(kāi)新材料的應(yīng)用，特別是近百年來(lái)，多元化的各種新物質(zhì)、新材料不斷被創(chuàng)造出來(lái)，其結(jié)構(gòu)越來(lái)越復(fù)雜，功能呈現(xiàn)多樣化趨勢(shì)，各國(guó)在該領(lǐng)域所面臨的競(jìng)爭(zhēng)日趨激烈。如何更高效地發(fā)展新材料、新結(jié)構(gòu)，加速高性能新物質(zhì)的設(shè)計(jì)、合成和應(yīng)用的步伐，關(guān)系到經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)的可持續(xù)性，成為現(xiàn)階段我國(guó)化學(xué)科研及應(yīng)用領(lǐng)域從業(yè)者所面臨的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。然而，結(jié)構(gòu)與性能1關(guān)系的復(fù)雜性決定了這方面的研究是一項(xiàng)長(zhǎng)期、艱苦的任務(wù)。當(dāng)前無(wú)法通過(guò)其與固體液體簡(jiǎn)單對(duì)比發(fā)現(xiàn)團(tuán)簇的物理化學(xué)性質(zhì)。

1 金團(tuán)簇能量預(yù)測(cè)及最優(yōu)結(jié)構(gòu)

1.1能量預(yù)測(cè)

在進(jìn)行初步分析時(shí)，發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)中共0～154，156～999總和為999個(gè)數(shù)據(jù)，缺少第155個(gè)數(shù)據(jù)，在進(jìn)行代碼數(shù)據(jù)分析時(shí)要注意到這個(gè)地方，在學(xué)習(xí)使用VMD軟件后發(fā)現(xiàn)無(wú)法直接打開(kāi)附件中所給出的.xyz文件，經(jīng)過(guò)查詢VMD官方文檔，需要將能量系數(shù)改為原子名稱即可導(dǎo)入，且文檔路徑中不能出現(xiàn)中文字符。將金團(tuán)簇導(dǎo)入VMD 軟件后我們可以較為清晰的觀察到金團(tuán)簇的三維立體結(jié)構(gòu)。

通過(guò)對(duì)Auzo的團(tuán)簇結(jié)構(gòu)三維坐標(biāo)進(jìn)行分析，根據(jù)已知信息預(yù)測(cè)出 Au20的最優(yōu)結(jié)構(gòu)如圖1

1.2 Au32最優(yōu)結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)

根據(jù)所給Au20_OPT_1000附件求出遺傳Au2o預(yù)測(cè)模型的最優(yōu)結(jié)構(gòu)，基于遺傳算法思想，我們將通過(guò)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法利用深度學(xué)習(xí)進(jìn)行求解。

根據(jù)訓(xùn)練模型將從引文網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)頁(yè)網(wǎng)絡(luò)，電力網(wǎng)絡(luò)三個(gè)維度對(duì)金團(tuán)簇Au32進(jìn)行預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)

由圖2可見(jiàn)，Aug2團(tuán)簇幾何形形狀層穩(wěn)定的體心結(jié)構(gòu)，原子之間距離較近，結(jié)構(gòu)相對(duì)是最穩(wěn)定的。

3 2 硼元素能量及最優(yōu)結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)

經(jīng)過(guò)查詢VMD官方文檔，需要將能量系數(shù)改為原子名稱即可導(dǎo)入，且文檔路徑中不能出現(xiàn)中文字符。將金團(tuán)簇導(dǎo)入VMD 軟件后我們可以較為清晰的觀察到硼團(tuán)簇的三維立體結(jié)構(gòu)。

通過(guò)軟件geneXprotools分析，得到硼團(tuán)簇原子坐標(biāo)和勢(shì)能的關(guān)系，預(yù)測(cè)出Bas.的最優(yōu)結(jié)構(gòu)。

由圖4可以看出 Bas.的立體結(jié)構(gòu)為網(wǎng)狀放射結(jié)構(gòu)。團(tuán)簇的結(jié)構(gòu)是空心的，這使得在硼團(tuán)簇中處于表面的原子占得比例比較大，因而團(tuán)簇具有較大的表面曲率半徑和表體比。這就導(dǎo)致硼團(tuán)簇會(huì)具有很高的表面能，使得團(tuán)簇表面的原子具有很高的活性，很容易與其它原子和分子結(jié)合。

4 3 結(jié)論

在對(duì)金團(tuán)簇求解時(shí)主要使用了遺傳優(yōu)化算法，BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行構(gòu)建深度學(xué)習(xí)，與現(xiàn)有算法相比，精確度較高。該算法由TPLS算法和內(nèi)部操作、表面操作、擾動(dòng)操作3種全局操作構(gòu)成.TPLS算法用于極小化，內(nèi)部操作用于得到好的團(tuán)簇內(nèi)部結(jié)構(gòu)，表面操作用于調(diào)整團(tuán)簇表面原子的位置，擾動(dòng)操作用于對(duì)內(nèi)部操作和表面操作得到的團(tuán)簇結(jié)構(gòu)進(jìn)行鄰域搜索。在對(duì)硼團(tuán)簇求解時(shí)主要使用聚類算法，此算法算法簡(jiǎn)單、快速。

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