Команда під керівництвом Костянтина Новосьолова та Андрія Устюжаніна опублікувала статтю "Розріджене представлення для машинного навчання властивостей дефектів у 2D матеріалах" у престижному журналі npj Computational Materials. Код та ваги навченої моделі доступні на дослідницькій платформі Constructor.
2D-матеріали відкривають захоплюючі можливості як будівельні блоки для нових електронних пристроїв, таких як гнучкі екрани, ефективні сонячні батареї та камери високої роздільної здатності. Однією з визначальних властивостей 2D-матеріалів є сильний вплив недосконалостей кристалічної решітки, або дефектів. Вони радикально змінюють електронні властивості. Вони можуть перетворювати ізолятори на напівпровідники, напівпровідники на метали, робити матеріали магнітними або каталітичними.
Ідеальні кристалічні матеріали складаються з нескінченно повторюваної структури. Реальні кристалічні матеріали мають дефекти. В роботі досліджуються точкові дефекти: вакансії, коли видаляється атом, і заміщення, коли атом заміщується іншим атомом. Приклад структури MoS2 з однією вакансією S, однією вакансією Mo і двома заміщеннями S на Se:
Для інженерії дефектів in-silico необхідна швидка оцінка властивостей матеріалу. Автори розробили підхід машинного навчання, який щонайменше в 1000 разів швидший порівняно з розрахунками на основі перших принципів і в 3,7 рази точніший, ніж конкуруючі підходи машинного навчання. Його основна ідея полягає у використанні розрідженого графа представлення, що складається лише з точкових дефектів, в якості вхідних даних для алгоритму машинного навчання, на відміну від традиційного підходу, коли використовуються всі атоми.
Він зображений нижче:
a) Почніть з повної структури 2D матеріалу з дефектами
б) Отримання розрідженої структури шляхом видалення ділянок, які не містять дефектів
c) Граф, побудований шляхом з'єднання ділянок з дефектами, які знаходяться ближче, ніж радіус відсікання
d) Результуючий розріджений граф. Зверніть увагу на ребра, що проходять через періодичну границю.
Обчислювальні дослідницькі проекти часто переростають у проекти програмної інженерії, і цей не став винятком. Основна ідея статті була придумана і протестована приблизно за тиждень. Решта 1,5 року пішли на написання коду та проведення ретельних експериментів.
Проект був спільною роботою 4 різних установ, кожна з яких використовувала власні обчислювальні ресурси, що ще більше ускладнювало завдання. Дослідницька платформа Constructor з'явилася на пізній стадії проекту і була використана для:
- проведення фінальних оціночних експериментів
- Навчання остаточних моделей для висновків
- Публікація наборів даних
- Публікація інтерфейсу прогнозування
Цінність дослідницької платформи Constructor:
Дослідницька платформа Constructor Research пропонує величезну цінність для дослідників, які вивчають властивості дефектів у 2D матеріалах. Використовуючи можливості платформи, дослідники можуть застосовувати розріджене представлення для машинного навчання, що дозволяє швидко оцінювати властивості матеріалу на основі структури кристалічної решітки та конфігурації дефектів. Вбудований контроль версій забезпечує ефективну організацію та відстеження дослідницьких проектів, дозволяючи дослідникам легко керувати та порівнювати різні ітерації своїх експериментів. Такий оптимізований робочий процес підвищує продуктивність і полегшує відтворюваність результатів.
Розроблена як веб-середовище для спільної роботи, платформа пропонує легке входження для членів дослідницької команди. Дослідники можуть безперешкодно співпрацювати, обмінюватися ідеями та робити колективний внесок у розуміння дефектоскопічних матеріалів. Інтуїтивно зрозумілий інтерфейс платформи та функції для спільної роботи сприяють продуктивному та інклюзивному дослідницькому середовищу.
Платформа Constructor Research включає в себе можливості обміну проектами, що дозволяє дослідникам ділитися своєю роботою за допомогою інтерактивних публікацій. Завдяки інтерактивним публікаціям дослідники можуть представляти свої результати в цікавій та інтерактивній формі, підвищуючи доступність та вплив своїх досліджень.
Крім того, платформа надає спільний доступ до відтворюваних експериментів, полегшуючи співпрацю як з внутрішніми, так і з зовнішніми учасниками. Дослідники можуть легко ділитися своїми експериментами з колегами, надаючи їм доступ до відтворення та розвитку результатів дослідження. Такий спільний підхід покращує обмін знаннями, заохочує міждисциплінарну співпрацю та прискорює науковий прогрес.
Таким чином, дослідницька платформа Constructor Research пропонує комплексне середовище для спільної роботи дослідників, які вивчають властивості дефектів у двомірних матеріалах. Завдяки спеціалізованій обчислювальній інфраструктурі, повному набору інструментів для досліджень і розробок, співпраці через Інтернет, можливостям обміну проектами та спільному доступу до відтворюваних експериментів, платформа дає можливість дослідникам просувати свої дослідження, сприяти співпраці та стимулювати науковий прогрес у цій галузі. Дослідницька платформа Constructor Research виявляється дуже ресурсоефективною, значно зменшуючи обчислювальні витрати як на навчання, так і на висновки.