大家好，本期為大家分享一篇發(fā)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(xué)（深圳）的朱熹教授。在本文中，作者們開發(fā)了一種基于元宇宙的力場(chǎng)優(yōu)化架構(gòu)，成功優(yōu)化了水的分子動(dòng)力學(xué)力場(chǎng)。

目前的物理化學(xué)計(jì)算依賴于科學(xué)家編寫的多種計(jì)算機(jī)程序，包括軟件（例如VASP，Quantum Espresso用于第一性原理計(jì)算，LAMMPS用于分子動(dòng)力學(xué)模擬）和以機(jī)器學(xué)習(xí)，深度學(xué)習(xí)為代表的經(jīng)驗(yàn)算法（例如DeepMD）。在這種通過傳統(tǒng)數(shù)學(xué)建模解決物理化學(xué)問題的計(jì)算范式中，人通過物理模型和超參數(shù)間接和原子、分子系統(tǒng)進(jìn)行交互。大量事實(shí)證明，目前這種交互效果沒有達(dá)到科學(xué)家的預(yù)期，因?yàn)樵陂g接交互的過程中，原子系統(tǒng)中大量無法量化的關(guān)聯(lián)性被忽視，導(dǎo)致局部最優(yōu)和低模型遷移性的問題。這使得大部分用擬合和優(yōu)化得到的物理模型不具有普適性。近年來逐漸發(fā)展起來的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和元宇宙技術(shù)能夠更高效的將人的智力進(jìn)行數(shù)字化，直接作用于物理化學(xué)系統(tǒng)。例如在分子動(dòng)力學(xué)模擬中，科學(xué)家基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，通過沉浸式分析原子軌跡，就能判斷分子力場(chǎng)是否準(zhǔn)確。

為了證明基于元宇宙的計(jì)算架構(gòu)的高效性，作者們?cè)O(shè)計(jì)了基于虛擬現(xiàn)實(shí)的計(jì)算平臺(tái)Mateverse，意為“Material + Metaverse”。具體的計(jì)算流程如圖2所示。用戶穿戴VR設(shè)備，在一個(gè)虛擬界面中對(duì)水的分子動(dòng)力學(xué)力場(chǎng)進(jìn)行優(yōu)化。力場(chǎng)的初始值可以是目前文獻(xiàn)中報(bào)道過的參數(shù)，例如TIP3P, TIP4P等。經(jīng)過模擬之后，用當(dāng)前力場(chǎng)計(jì)算出來的水的性質(zhì)（例如密度，擴(kuò)散常數(shù)，介電常數(shù)等）和水分子的運(yùn)動(dòng)軌跡會(huì)展示在界面中。由于當(dāng)前模型的缺陷，部分性質(zhì)會(huì)存在較大的誤差。用戶通過觀察分析這些軌跡和性質(zhì)，通過他們自己對(duì)于物理化學(xué)模型的理解，他們可以修改相應(yīng)的力場(chǎng)參數(shù)以優(yōu)化力場(chǎng)。修改后的力場(chǎng)精度會(huì)在下一輪分子動(dòng)力學(xué)模擬中得到。通過多次計(jì)算，玩家會(huì)逐漸掌握力場(chǎng)和系統(tǒng)性質(zhì)的關(guān)聯(lián)性，從而加快了優(yōu)化速度。

為了更好地描述分子性質(zhì)之間的關(guān)聯(lián)性，拓展現(xiàn)有力場(chǎng)數(shù)學(xué)模型的復(fù)雜度，作者提出了力場(chǎng)矩陣的概念。傳統(tǒng)力場(chǎng)參數(shù)都是以列向量的形式存在，不同數(shù)學(xué)基組之間的參數(shù)沒有關(guān)聯(lián)性，例如圖3中展示的TIP4P 力場(chǎng)。這里作者們?cè)贛ateverse中優(yōu)化的是一個(gè)矩陣形式的力場(chǎng)TIP4P-Meta，其中非對(duì)角項(xiàng)體現(xiàn)了不同參數(shù)之間的關(guān)聯(lián)性。力場(chǎng)參數(shù)的關(guān)聯(lián)性其實(shí)反應(yīng)的是原子系統(tǒng)中相互作用的關(guān)聯(lián)性。因此，將這些關(guān)聯(lián)性參數(shù)進(jìn)一步展開為原子系統(tǒng)中相對(duì)距離倒數(shù)的多項(xiàng)式加和。這樣，原來的一維力場(chǎng)被進(jìn)一步拓展為一個(gè)三維張量，參數(shù)空間復(fù)雜度顯著提高。TIP4P-Meta的優(yōu)化過程如下：首先根據(jù)已充分弛豫的原子初始位置信息，擬合三維張量的系數(shù)。然后，根據(jù)玩家對(duì)力場(chǎng)矩陣的調(diào)整，三維張量的值發(fā)生對(duì)應(yīng)變化。這樣，玩家直接參與到了數(shù)字優(yōu)化過程中。

圖3.?力場(chǎng)矩陣架構(gòu)

作為一個(gè)面向未來科研的計(jì)算平臺(tái)，作者們致力于提供晶型設(shè)計(jì)的一站式服務(wù)。作者將優(yōu)化好的力場(chǎng)用來探索和設(shè)計(jì)新晶型。基于元宇宙技術(shù)，用戶可以和晶型結(jié)構(gòu)進(jìn)行沉浸式的互動(dòng)，更利于用戶理解晶體，蛋白質(zhì)等三維復(fù)雜結(jié)構(gòu)。在Mateverse中，作者們的具體實(shí)現(xiàn)方式為：首先借助USPEX等軟件產(chǎn)生大量待選結(jié)構(gòu)；對(duì)于每一個(gè)結(jié)構(gòu)，玩家可以對(duì)晶型的幾何結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整，包括增加、刪除原子，移動(dòng)原子位置；然后借助優(yōu)化好的力場(chǎng)，對(duì)人為設(shè)計(jì)的晶型進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化。和蛋白質(zhì)設(shè)計(jì)游戲Foldit相比，Mateverse沉浸式的互動(dòng)環(huán)境將拓展用戶的想象力，加速相關(guān)材料的設(shè)計(jì)。

圖4. 左：晶型設(shè)計(jì)過程。右：通過Mateverse設(shè)計(jì)的新晶型的相圖。

簡(jiǎn)而言之，作者們提出了一個(gè)新的分子動(dòng)力學(xué)力場(chǎng)架構(gòu)，并將其在元宇宙中進(jìn)行實(shí)現(xiàn)和拓展，在優(yōu)化好水分子力場(chǎng)的同時(shí)，可以讓用戶自由地設(shè)計(jì)新的潛在晶型，具有很大的開發(fā)和應(yīng)用前景。力場(chǎng)調(diào)參進(jìn)入元宇宙時(shí)代，表明未來的材料科學(xué)研究方法將發(fā)生顯著變化，向著“工業(yè)5.0”范式邁進(jìn)。