Un team guidato da Kostya Novoselov e Andrey Ustyuzhanin ha pubblicato l'articolo "Sparse representation for machine learning the properties of defects in 2D materials" sulla prestigiosa rivista npj Computational Materials. Il codice e i pesi del modello addestrato sono disponibili su Constructor Research Platform.
I materiali 2D offrono interessanti opportunità come elementi costitutivi di nuovi dispositivi elettronici, come schermi pieghevoli, pannelli solari efficienti e fotocamere ad alta risoluzione. Una delle proprietà che definiscono i materiali 2D è l'elevata influenza delle imperfezioni del reticolo cristallino, o difetti. Questi cambiano radicalmente le proprietà elettroniche. Possono trasformare gli isolanti in semiconduttori, i semiconduttori in metalli, rendere i materiali magnetici o catalitici.
I materiali cristallini ideali sono costituiti da un modello che si ripete all'infinito. I materiali cristallini reali presentano difetti. Il lavoro studia i difetti puntiformi: le vacanze, quando un atomo viene rimosso, e le sostituzioni, quando un atomo viene sostituito con uno diverso. Esempio di struttura MoS2 con un posto vacante S, un posto vacante Mo e due sostituzioni da S a Se:
Per effettuare l'ingegnerizzazione in silico dei difetti, è necessaria una stima rapida delle proprietà del materiale. Gli autori hanno sviluppato un approccio di apprendimento automatico che è almeno 1000 volte più veloce rispetto ai calcoli di primo principio e 3,7 volte più preciso rispetto agli approcci di apprendimento automatico concorrenti. L'idea principale consiste nell'utilizzare un grafo di rappresentazione rado, costituito solo dai difetti puntuali, come input per un algoritmo di apprendimento automatico, a differenza dell'approccio tradizionale che utilizza tutti gli atomi.
Il grafico è illustrato di seguito:
a) Iniziare con la struttura completa di un materiale 2D con difetti.
b) Si ottiene la struttura rada rimuovendo i siti che non contengono difetti.
c) Un grafo costruito collegando i siti di difetti che sono più vicini del raggio di separazione
d) Grafo rado risultante. Si notino gli spigoli che attraversano il confine periodico.
I progetti di ricerca computazionale spesso si evolvono in progetti di ingegneria del software e questo non fa eccezione. L'idea centrale dell'articolo è stata inventata e testata in circa una settimana. I restanti 1,5 anni sono stati dedicati alla scrittura del codice e all'esecuzione di esperimenti meticolosi.
Il progetto era una collaborazione tra 4 diverse istituzioni, ognuna delle quali utilizzava le proprie risorse computazionali, il che ha complicato ulteriormente le cose. La piattaforma di ricerca Constructor è arrivata nella fase finale del progetto ed è stata utilizzata per:
- Eseguire gli esperimenti di valutazione finale
- Addestramento dei modelli finali per l'inferenza
- pubblicazione del set di dati
- Pubblicazione dell'interfaccia di predizione
Valore della piattaforma di ricerca Constructor:
La piattaforma Constructor Research offre un valore immenso ai ricercatori che studiano le proprietà dei difetti nei materiali 2D. Sfruttando le capacità della piattaforma, i ricercatori possono applicare la rappresentazione rada per l'apprendimento automatico, consentendo una rapida stima delle proprietà dei materiali in base alla struttura reticolare e alla configurazione dei difetti. Il controllo delle versioni integrato assicura che i progetti di ricerca siano organizzati e tracciati in modo efficace, consentendo ai ricercatori di gestire e confrontare le diverse iterazioni dei loro esperimenti senza sforzo. Questo flusso di lavoro semplificato aumenta la produttività e facilita la riproducibilità dei risultati.
Progettata come un ambiente collaborativo basato sul web, la piattaforma offre un facile onboarding per i membri del team di ricerca. I ricercatori possono collaborare senza problemi, condividere intuizioni e contribuire collettivamente alla comprensione dei materiali costruiti con difetti. L'interfaccia intuitiva e le funzioni di collaborazione della piattaforma favoriscono un ambiente di ricerca produttivo e inclusivo.
La piattaforma Constructor Research include funzionalità di condivisione dei progetti, consentendo ai ricercatori di condividere il proprio lavoro attraverso pubblicazioni interattive. Con le pubblicazioni interattive, i ricercatori possono presentare i loro risultati in modo coinvolgente e interattivo, migliorando l'accessibilità e l'impatto della loro ricerca.
Inoltre, la piattaforma fornisce un accesso condivisibile agli esperimenti riproducibili, facilitando la collaborazione con collaboratori interni ed esterni. I ricercatori possono facilmente condividere i loro esperimenti con i collaboratori, garantendo loro l'accesso alla riproduzione e alla valorizzazione dei risultati della ricerca. Questo approccio collaborativo migliora lo scambio di conoscenze, incoraggia la collaborazione interdisciplinare e accelera i progressi della ricerca.
In sintesi, la piattaforma Constructor Research offre un ambiente completo e collaborativo per i ricercatori che studiano le proprietà dei difetti nei materiali 2D. Grazie a un'infrastruttura di calcolo su misura, a un set completo di strumenti di ricerca e sviluppo, alla collaborazione basata sul web, alle funzionalità di condivisione dei progetti e all'accesso condivisibile a esperimenti riproducibili, la piattaforma consente ai ricercatori di far progredire le loro indagini, favorire la collaborazione e guidare i progressi scientifici nel settore. La piattaforma Constructor Research si è dimostrata altamente efficiente dal punto di vista delle risorse, riducendo significativamente i costi computazionali sia per l'addestramento che per l'inferenza.