Grant/Projek zakończony
Wykorzystanie sieci neuronowych do opracowania nowej parametryzacji potencjału Tersoffa dla węgla
Identyfikator grantu: PT00827
Kierownik projektu: Szymon Winczewski
Politechnika Gdańska
Wydział Fizyki Technicznej i Matematyki Stosowanej
Gdańsk
Data otwarcia: 2020-06-09
Data zakończenia: 2021-02-03
Streszczenie projektu
Celem projektu jest opracowanie nowej parametryzacji potencjału Tersoffa [1, 2] dla węgla. Ma być ona dedykowana opisowi nanostruktur węgla o mieszanej hybrydyzacji sp 2 /sp 3, w szczególności zaś penta-grafenowi: nowej, hipotetycznej odmianie alotropowej węgla, zaproponowanej niedawno na podstawie obliczeń ab initio [3].
Opracowana parametryzacja ma dobrze reprodukować wszystkie podstawowe właściwości penta-grafenu, m.in.: właściwości strukturalne (stała sieciowa, grubość struktury, długości wiązań węgiel-węgiel, charakterystyczne kąty walencyjne), energetyczne (energia wiązania mierzona względem innych odmian alotropowych węgla: grafenu, diamentu) oraz mechaniczne (stałe sprężystości, moduły mechaniczne: Younga, ścinania, objętościowy, wsp. Poissona, zależność odkształcenie-naprężenie w szerokim zakresie odkształceń). Ma także reprodukować jego wysoką stabilność termodynamiczną (sięgającą nawet 1200 K).
Za punkt wyjściowy wykorzystana zostanie parametryzacja potencjału Tersoffa opracowana w roku 2005 przez Erharta i Albe [4], która (zgodnie z tym, co stwierdzono w [5] i [6]) dobrze reprodukuje podstawowe właściwości penta-grafenu. Projekt przewiduje wykorzystanie sieci neuronowych, do znalezienia zestawu parametrów potencjału, który będzie jeszcze lepiej - możliwie jak najbardziej wiernie - reprodukował wskazane powyżej właściwości penta-grafenu.
Obliczenia obejmują przeprowadzenie (przy wykorzystaniu metody statyki molekularnej, do przeprowadzenia symulacji zostanie wykorzystany program LAMMPS [7, 8]) szeregu obliczeń podstawowych właściwości penta-grafenu, dla różnych zestawów parametrów potencjału Tersoffa. Wyniki tych obliczeń mają stanowić zbiór uczący dla trenowania sieci neuronowej, która zostanie wykorzystana do znalezienia optymalnego zestawu parametrów.
Literatura:
[1] J. Tersoff, Modeling solid-state chemistry: interatomic potentials for multi-component systems, Phys. Rev. B 39 (1989), 5566-5568.
[2] J. Tersoff, Erratum: modeling solid-state chemistry: interatomic potentials for multi-component systems, Phys. Rev. B 41 (1990), 3248.
[3] S. Zhang, J. Zhou, Q. Wang, X. Chen, Y. Kawazoe, P. Jena, Penta-graphene: a new carbon allotrope, Proc. Natl. Acad. Sci. 112 (8) (2015), 2372-2377.
[4] P. Erhart, K. Albe, Analytical potential for atomistic simulations of silicon, carbon, and silicon carbide, Phys. Rev. B 71 (2005), 035211.
[5] S. Winczewski, M. Y. Shaheen, J. Rybicki, Interatomic potential suitable for the modeling of penta-graphene: Molecular statics/molecular dynamics studies, Carbon 126 (2018), 165-175.
[6] S. Winczewski, J. Rybicki, Anisotropic mechanical behavior and auxeticity of penta-graphene: Molecular statics/molecular dynamics studies, Carbon 146 (2019), 572-587.
[7] S. Plimpton, Fast parallel algorithms for short-range molecular dynamics, J. Comput. Phys. 117 (1) (1995) 1-19.
[8] LAMMPS Molecular Dynamics Simulator, https://lammps.sandia.gov/
Opracowana parametryzacja ma dobrze reprodukować wszystkie podstawowe właściwości penta-grafenu, m.in.: właściwości strukturalne (stała sieciowa, grubość struktury, długości wiązań węgiel-węgiel, charakterystyczne kąty walencyjne), energetyczne (energia wiązania mierzona względem innych odmian alotropowych węgla: grafenu, diamentu) oraz mechaniczne (stałe sprężystości, moduły mechaniczne: Younga, ścinania, objętościowy, wsp. Poissona, zależność odkształcenie-naprężenie w szerokim zakresie odkształceń). Ma także reprodukować jego wysoką stabilność termodynamiczną (sięgającą nawet 1200 K).
Za punkt wyjściowy wykorzystana zostanie parametryzacja potencjału Tersoffa opracowana w roku 2005 przez Erharta i Albe [4], która (zgodnie z tym, co stwierdzono w [5] i [6]) dobrze reprodukuje podstawowe właściwości penta-grafenu. Projekt przewiduje wykorzystanie sieci neuronowych, do znalezienia zestawu parametrów potencjału, który będzie jeszcze lepiej - możliwie jak najbardziej wiernie - reprodukował wskazane powyżej właściwości penta-grafenu.
Obliczenia obejmują przeprowadzenie (przy wykorzystaniu metody statyki molekularnej, do przeprowadzenia symulacji zostanie wykorzystany program LAMMPS [7, 8]) szeregu obliczeń podstawowych właściwości penta-grafenu, dla różnych zestawów parametrów potencjału Tersoffa. Wyniki tych obliczeń mają stanowić zbiór uczący dla trenowania sieci neuronowej, która zostanie wykorzystana do znalezienia optymalnego zestawu parametrów.
Literatura:
[1] J. Tersoff, Modeling solid-state chemistry: interatomic potentials for multi-component systems, Phys. Rev. B 39 (1989), 5566-5568.
[2] J. Tersoff, Erratum: modeling solid-state chemistry: interatomic potentials for multi-component systems, Phys. Rev. B 41 (1990), 3248.
[3] S. Zhang, J. Zhou, Q. Wang, X. Chen, Y. Kawazoe, P. Jena, Penta-graphene: a new carbon allotrope, Proc. Natl. Acad. Sci. 112 (8) (2015), 2372-2377.
[4] P. Erhart, K. Albe, Analytical potential for atomistic simulations of silicon, carbon, and silicon carbide, Phys. Rev. B 71 (2005), 035211.
[5] S. Winczewski, M. Y. Shaheen, J. Rybicki, Interatomic potential suitable for the modeling of penta-graphene: Molecular statics/molecular dynamics studies, Carbon 126 (2018), 165-175.
[6] S. Winczewski, J. Rybicki, Anisotropic mechanical behavior and auxeticity of penta-graphene: Molecular statics/molecular dynamics studies, Carbon 146 (2019), 572-587.
[7] S. Plimpton, Fast parallel algorithms for short-range molecular dynamics, J. Comput. Phys. 117 (1) (1995) 1-19.
[8] LAMMPS Molecular Dynamics Simulator, https://lammps.sandia.gov/
Publikacje
- A. Nwachukwu, Wykorzystanie sieci neuronowych do opracowania nowej parametryzacji potencjału Tersoffa dla węgla, Wydział Fizyki Technicznej i Matematyki Stosowanej, Politechnika Gdańska n/d, (2020) n/d