خبرگزاری زنان ایران

به گزارش خبرگزاری زنان ایران - تيمي از محققان دانشگاه رور بوخوم (Ruhr-Universit?t Bochum) روش جديدي ارائه کرده‌اند که بار اتمي در چارچوب‌هاي آلي فلزي (Metal-Organic Frameworks؛ MOF) را تنها با استفاده از اتصال پيوندي اتم‌ها پيش‌بيني مي‌کند. اين رويکرد توپولوژيک، به جاي وابستگي به هندسه سه‌بعدي، مسيرهاي کوتاه بين اتم‌ها در گراف پيوندها را ملاک قرار مي‌دهد و شبيه‌سازي‌هاي گسترده و پردازش‌هاي کامپيوتري در اسکرينينگ مواد را عملي مي‌کند.
چارچوب‌هاي آلي فلزي، شبکه‌هايي متشکل از گره‌هاي فلزي متصل به مولکول‌هاي آلي هستند که به‌واسطه کنترل اندازه و شيمي سطح منافذ، براي کاربردهايي مانند جذب دي‌اکسيد کربن، ذخيره هيدروژن، دارورساني هدفمند و جداسازي ايزوتوپ‌ها ايده‌آل‌اند. با وجود هزاران MOF متفاوت سنتز شده، آزمايش همه آن‌ها در آزمايشگاه غيرممکن است و روش‌هاي محاسباتي با استفاده از ميدان‌هاي نيرويي (Force Fields) نقش کليدي ايفا مي‌کنند.
يکي از ورودي‌هاي حياتي براي اين شبيه‌سازي‌ها، بار اتمي جزئي است؛ بار مثبت يا منفي کوچک هر اتم که رفتار الکترواستاتيکي و تعامل با مولکول‌هاي مهم مثل CO? يا متان را تعيين مي‌کند. روش‌هاي معمول نيازمند محاسبات کوانتومي پرهزينه براي هر MOF هستند و با افزايش تعداد نمونه‌ها، غيرقابل مديريت مي‌شوند.
TopoQEq: جايگزيني هندسه با توپولوژي
روش جديد با نام Topological Charge Equilibration (TopoQEq)، فاصله‌هاي فضايي واقعي را با فاصله‌هاي توپولوژيک جايگزين مي‌کند؛ فاصله‌هايي که طول مسير کوتاه‌ترين مسير پيوندي بين اتم‌ها را مي‌سنجند. چون اتصال پيوندي هنگام ارتعاش يا انعطاف چارچوب تغيير نمي‌کند، بارهاي پيش‌بيني‌شده مستقل از هندسه خواهند بود.
در اين رويکرد، اتم‌ها به‌عنوان رئوس و پيوندها به‌عنوان يال‌هاي يک گراف تعريف مي‌شوند. هر يال وزن خاص خود را بر اساس شعاع کووالانسي اتم‌ها مي‌گيرد و با الگوريتم مسير کوتاه‌ترين مسير، فاصله توپولوژيک بين هر جفت اتم محاسبه مي‌شود. اين فاصله‌ها سپس در معادلات QEq کلاسيک جايگزين مي‌شوند تا بارهاي اتمي حاصل، بدون نياز به اصلاح دستي، جمع کل صفر را حفظ کنند.
براي افزايش انتقال‌پذيري مدل بين MOFهاي مختلف، سه سطح دسته‌بندي اتم‌ها تعريف شده است:
etypes: تفکيک تنها بر اساس عنصر
ctypes: اضافه کردن تعداد همسايگان هر اتم
atypes: رمزگذاري هويت شيميايي همسايگان براي بيشترين جزئيات
هر نوع اتم سه پارامتر قابل تنظيم دارد: پهناي توزيع بار، مقدار الکترونگاتيويته و اصلاح سختي. بهينه‌سازي پارامترها با استفاده از الگوريتم CMA-ES و داده‌هاي مرجع بيش از ??,??? MOF در پايگاه QMOF انجام شد.
نتايج و کاربردها
مدل TopoQEq با جزئيات بيشتر اتم‌ها، دقت بالاتري نشان داد؛ مدل atypes ميانگين خطاي ????? بار الکترونيکي و حداکثر خطاي ???? بار داشت. بارهاي پيش‌بيني‌شده جمع صفر را حفظ کردند و حساسيت مدل به تغييرات محيط شيميايي (مثلاً جايگزيني هيدروژن با کلر) به‌خوبي ثبت شد.
عملکرد محاسباتي نيز مطلوب است: زمان پيش‌بيني تقريباً با اندازه سيستم به توان ?.?? مقياس مي‌شود و براي سيستم‌هاي بزرگ‌تر از ??,??? اتم، نسخه پراکنده مدل با برش فاصله‌هاي بلندمدت به حافظه کمتر و سرعت بيشتر دست مي‌يابد.
برخلاف رويکردهاي يادگيري ماشيني پيچيده مانند شبکه‌هاي عصبي گراف يا درخت تصميم، TopoQEq بر پايه معادلات خطي کلاسيک است که هزينه محاسباتي پايين و مقياس‌پذيري مطلوب را براي اسکرينينگ با حجم بالا و مدل‌سازي نانوبلورهاي بزرگ فراهم مي‌کند.
اهميت
به نقل از ستاد نانو، TopoQEq امکان توليد بارهاي اتمي مستقل از هندسه و تطبيق‌پذير با محيط شيميايي را فراهم مي‌کند و گلوگاه اصلي در خودکارسازي توليد ميدان‌هاي نيرويي ويژه سيستم را از بين مي‌برد. اين دستاورد راه را براي تحقيقات پرشتاب در طراحي MOFها و ساير مواد متخلخل هموار مي‌کند.
ايسنا
انتهاي پيام/ن