英文原題：Mateverse, the Future Materials Science Computation Platform Based on Metaverse

大家好，本期為大家分享一篇發表在Journal of Physical Chemistry Letters上的文章，文章題目為” Mateverse, the Future Materials Science Computation Platform Based on Metaverse”，文章的通訊作者是來自香港中文大學（深圳）的朱熹教授。在本文中，作者們開發了一種基于元宇宙的力場優化架構，成功優化了水的分子動力學力場。

目前的物理化學計算依賴于科學家編寫的多種計算機程序，包括軟件（例如VASP，Quantum Espresso用于第一性原理計算，LAMMPS用于分子動力學模擬）和以機器學習，深度學習為代表的經驗算法（例如DeepMD）。在這種通過傳統數學建模解決物理化學問題的計算范式中，人通過物理模型和超參數間接和原子、分子系統進行交互。大量事實證明，目前這種交互效果沒有達到科學家的預期，因為在間接交互的過程中，原子系統中大量無法量化的關聯性被忽視，導致局部最優和低模型遷移性的問題。這使得大部分用擬合和優化得到的物理模型不具有普適性。近年來逐漸發展起來的虛擬現實技術和元宇宙技術能夠更高效的將人的智力進行數字化，直接作用于物理化學系統。例如在分子動力學模擬中，科學家基于實驗數據，通過沉浸式分析原子軌跡，就能判斷分子力場是否準確。

為了證明基于元宇宙的計算架構的高效性，作者們設計了基于虛擬現實的計算平臺Mateverse，意為“Material + Metaverse”。具體的計算流程如圖2所示。用戶穿戴VR設備，在一個虛擬界面中對水的分子動力學力場進行優化。力場的初始值可以是目前文獻中報道過的參數，例如TIP3P, TIP4P等。經過模擬之后，用當前力場計算出來的水的性質（例如密度，擴散常數，介電常數等）和水分子的運動軌跡會展示在界面中。由于當前模型的缺陷，部分性質會存在較大的誤差。用戶通過觀察分析這些軌跡和性質，通過他們自己對于物理化學模型的理解，他們可以修改相應的力場參數以優化力場。修改后的力場精度會在下一輪分子動力學模擬中得到。通過多次計算，玩家會逐漸掌握力場和系統性質的關聯性，從而加快了優化速度。

為了更好地描述分子性質之間的關聯性，拓展現有力場數學模型的復雜度，作者提出了力場矩陣的概念。傳統力場參數都是以列向量的形式存在，不同數學基組之間的參數沒有關聯性，例如圖3中展示的TIP4P 力場。這里作者們在Mateverse中優化的是一個矩陣形式的力場TIP4P-Meta，其中非對角項體現了不同參數之間的關聯性。力場參數的關聯性其實反應的是原子系統中相互作用的關聯性。因此，將這些關聯性參數進一步展開為原子系統中相對距離倒數的多項式加和。這樣，原來的一維力場被進一步拓展為一個三維張量，參數空間復雜度顯著提高。TIP4P-Meta的優化過程如下：首先根據已充分弛豫的原子初始位置信息，擬合三維張量的系數。然后，根據玩家對力場矩陣的調整，三維張量的值發生對應變化。這樣，玩家直接參與到了數字優化過程中。

圖3.?力場矩陣架構

作為一個面向未來科研的計算平臺，作者們致力于提供晶型設計的一站式服務。作者將優化好的力場用來探索和設計新晶型。基于元宇宙技術，用戶可以和晶型結構進行沉浸式的互動，更利于用戶理解晶體，蛋白質等三維復雜結構。在Mateverse中，作者們的具體實現方式為：首先借助USPEX等軟件產生大量待選結構；對于每一個結構，玩家可以對晶型的幾何結構進行調整，包括增加、刪除原子，移動原子位置；然后借助優化好的力場，對人為設計的晶型進行進一步優化。和蛋白質設計游戲Foldit相比，Mateverse沉浸式的互動環境將拓展用戶的想象力，加速相關材料的設計。

圖4. 左：晶型設計過程。右：通過Mateverse設計的新晶型的相圖。

簡而言之，作者們提出了一個新的分子動力學力場架構，并將其在元宇宙中進行實現和拓展，在優化好水分子力場的同時，可以讓用戶自由地設計新的潛在晶型，具有很大的開發和應用前景。力場調參進入元宇宙時代，表明未來的材料科學研究方法將發生顯著變化，向著“工業5.0”范式邁進。