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Silvana TapiaJuan Carlos GilFrancis VillatoroHéctor SocasBorja Tosarerror potencial profundo dft-fetenestructuras complejas umbral energéticoentrenamiento potencial profundo red profundaaprendizaje activo estructuras mejorescálculo energía libre estructuras supervivientesdft refinamiento geometrías exactasdinámica molecular potencial porcentajesimulaciones energía libre estructurasmapa energía-densidad estructuras hielolínea cian envolvente convexaumbral filtrado línea punteada naranjafases del hielo conocidas métodoDFTJuan Carlos Gilinteracciones de CoulombLeonard JonesVan der WaalsNaturalezafigura 3Francis FetenDFT-FETENOPSPEXfigura 1
Simulaciones energía libre estructuras
Con
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Juan Carlos Gil describe el proceso final del ciclo iterativo para generar estructuras de hielo, explicando cómo se calcula la energía libre de las estructuras restantes después de múltiples refinamientos.
…que tenemos en estos momentos están describiendo bien las estructuras rarunas que van saliendo con el proceso. Se eligen unas cuantas de ellas, hay una técnica para elegirlas y se calcula su DFT, su estructura y su potencial, bien con un DFT bien hecho. Si el error del potencial profundo respecto del DFT-FETEN supera los 3 milielectronvoltios por molécula, entonces se cogen esas estructuras complicadas y se alimentan a la última fase del ciclo, el entrenamiento del potencial profundo que os mencionaba antes. Se calcula un DFT superbueno y se alimenta con estas estructuras a la red profunda para mejorar el potencial profundo, valga la redundancia de tanto profundo; era lo que antes llamábamos aprendizaje activo. Tenemos entonces estructuras mejores, potencial refinado y seguimos con el ciclo hasta que, después de dar las vueltas que sean necesarias, Convergen los dos puntos de decisión que hay en el diagrama y cuando es así nos salimos en el bloque final, abajo a la derecha de la figura, que pone cálculo de la energía libre con las estructuras supervivientes a todas estas perrerías, pues se relajan por última vez con un DFT ahora muy, muy, muy fino para obtener las geometrías exactas, perfectas y se calcula su energía libre mediante nuevas simulaciones por dinámica molecular con potencial porcentaje. No sé si habéis, bueno, montón de palabras; a mí es una belleza que me sublime ya lo que hacen aquí, cosa que yo desconocía; yo me salí de esto hace ya algunas décadas y he flipado. Resultados exploran 131.481 estructuras, más de 130.000. La figura 3 es el mapa de energía-densidad, energía-densidad que os comentaba antes y han puesto todos los puntitos de todas las estructuras; cada puntito azul clarito es una estructura. La línea Cian por debajo es la envolvente convexa de la que os hablaba y 18.000 eV por arriba, la línea punteada naranja, es el umbral de filtrado. Entre ambas líneas están las estructuras que diría Francis Feten, que incluyen, ojo, todas las fases del hielo conocidas a este rango de presiones y temperaturas que el método, sorprendentemente para mí, ha redescubierto sin ningún problema. Incluidas destacan los autores, los desafiantes hielos 4 y 5, que son puñeteros, y el esquivo hielo 17, que es metastable. Todas las estructuras del hielo las recaza el método este. También encuentran varias estructuras que han sido predichas por simulaciones…
Significado #1 · Palabras #1
Juan Carlos Gil explica cómo las simulaciones por ordenador imitan el comportamiento de las moléculas al definir un potencial de interacción que asigna energía a cada configuración molecular.
Habla: Juan Carlos GilSignificado #3potencial de interacción molecularsimulaciones ordenador moléculasinteracción coulomb cargasmodelo leonard jonesenergía potencial configuración molecularsimulación del agua como universo digitalátomos y moléculas siguiendo potencialesfuerzas que marcan los potencialespropiedades estructurales y termodinámicas simuladastécnicas de física estadística aplicadas…Amundsen y Scott, exploradores del hielo, del hielo en particular y el diagrama de fases del agua en general, bueno pues es la simulación, la simulación por ordenador, que os quiero contar muy rápidamente cómo va esto de la simulación de materia condensada. La idea central es que si conocemos cómo interactúan las moléculas entre sí, podemos hacer que un ordenador pues imite su comportamiento. En la práctica esto requiere definir un potencial de interacción, una función que asigna una energía potencial a cada configuración de las moléculas, Energía que luego ya se intercambiará con cinética u otros grados de libertad, si hay vibración, etc. pues cuando las moléculas se menean Así la simulación explora el paisaje energético del modelo de potencial que estemos considerando En modelos clásicos estos potenciales son bastante simples describen solamente interacciones por pares entre centros de carga o átomos individuales. Estoy hablando de interacción de Coulomb entre cargas, esferas duras, era un modelo que se ha utilizado muchísimo, bolas de billar, Leonard Jones, que es un potencial suave con una repulsión y una atracción por Van der Waals, aunque obviamente la Naturaleza es mucho más compleja que estas esferas duras, ya existen interacciones de múltiples cuerpos, polarización y efectos cuánticos en general. Así que lo que hacemos con la simulación es construir una suerte de universo digital, si queréis, donde los átomos y las moléculas se mueven, chocan y se reorganizan siguiendo las fuerzas estas que marcan los potenciales y a partir de las posiciones y velocidades que vamos obteniendo, pues podemos deducir las propiedades estructurales y termodinámicas de la sustancia simulada pues aplicando técnicas de física estadística. Pero, y esto es lo importante, para que este universo Digital se parezca a nuestros cacharritos en el laboratorio, a la naturaleza real, pues es necesario parametrizar el potencial. Es decir, hay que ajustar sus parámetros: el tamaño de la bola, la profundidad del pozo de potencial para reproducir propiedades…
Juan Carlos Gil describe un proceso de filtrado y poda de estructuras de hielo generadas previamente, utilizando un mapa de energía-densidad para identificar las más estables.
Habla: Juan Carlos GilSignificado #16 · Palabras #8algoritmo evolutivo opspexestructuras de hielo posiblesfitness según energía calculadapotencial neuronal profundo más rápidodinámica molecular y enlaces hidrógenoannealing para configuraciones establesoptimización geométrica mínima energíamapa energíadensidad figura 3envolvente convexa estructuras hielodiferencia energía corte 18 mevestructuras prometedoras poda filtrado…cristalinas que está descrito en la figura 1 del artículo y que es su principal aportación metodológica, y que os tengo que contar rápidamente: primero para que os fascinéis al menos una fracción de lo que lo he hecho yo y para que podáis entender. Lo que luego os cuento: Es un ciclo que en la figura va en el sentido de las agujas del reloj. Empieza arriba a la izquierda, en una caja que pone generación de estructuras, donde se usa un algoritmo evolutivo llamado OPSPEX para generar muchísimas estructuras de hielo posibles. Al principio del todo, completamente al azar, y luego, a lo largo de cuando se realimenta el ciclo, pues van combinando y mutando las mejores estructuras que se van encontrando, evaluando su aptitud, su fitness, que en este caso es cuán estables parecen según su energía calculada. En la primera iteración esto se calcula con un DFT completo, pero en iteraciones sucesivas ya se va utilizando el potencial neuronal profundo, lo cuento luego, pues que es muchísimo, muchísimo más rápido. El segundo paso a la derecha de este en la figura. Se llama evolución de estructuras. Estas estructuras crudas que ha generado la etapa anterior pasan por una dinámica molecular con este potencial profundo, de tal forma que las estructuras se relajan, los enlaces de hidrógeno se reorganizan, se escapan de posiciones forzadas que han podido llegar, incluso se someten a un recocido, a annealing, para favorecer que encuentren configuraciones lo más estables posibles. Y al final de esta etapa se hace una pequeña optimización geométrica para garantizar que cada estructura llega a eso, a un mínimo de energía al menos local. La tercera etapa, más allá de la derecha, se llama. Filtración o filtrado de estructuras, que es donde empieza la poda. Aquí nos llegan un montón de estructuras, nos queremos quedar con las prometedoras. Lo que se hace es que se coloca cada una de estas estructuras que llegan en un mapa de energía-densidad, como el de la figura 3, que también quiero comentar luego rápidamente, y se calcula con todas las estructuras la envolvente convexa, la zona donde las estructuras son más estables y solo se conservan; las otras se desechan, las que están en esa frontera o ligeramente por encima. Utilizan una diferencia de energía de corte de 18 mili -electrónvoltios por molécula de agua. Aquí hablamos de milielectrónvoltios, Héctor; no pongas esa cara, no de giga ni teraelectrónvoltios como habláis. A ver, de física de altas energías. Vale, luego también miran estructuras posiblemente duplicadas y desechan una de ellas, mediante lo que llaman…
Juan Carlos Gil explica un proceso iterativo para generar estructuras de hielo, describiendo un punto de decisión clave: si se siguen encontrando nuevas estructuras o estructuras energéticamente relevantes, el ciclo continúa.
Habla: Juan Carlos GilSignificado #11estructuras energéticamente relevantesciclo iterativo y nuevas estructuraspunto de decisión exploración convergida…cubo del hash, pues los desechan. Y tras esa criba solo sobreviven las estructuras candidatas realmente interesantes, que en la figura aparecen como un cilindro; representa una base de datos que está etiquetado: estructuras candidatas, Candidate Structures. Más abajo hay un primer punto de decisión donde se pregunta: ¿Esta exploración ha convergido ya? De tal forma que si siguen apareciendo a lo largo de los ciclos nuevas estructuras o estructuras energéticamente relevantes, pues la respuesta a esta pregunta es no y el ciclo sigue. Pero si en algún momento el método encuentra que ya ha convergido, pues se saldría por la esquina inferior derecha del diagrama que os cuento luego. Si no, sigue en el sentido horario hacia el siguiente punto de decisión. ¿Ha convergido la red neuronal? Donde aquí lo que hacen es comprobar si el potencial profundo que tenemos en estos momentos están describiendo bien las estructuras rarunas que van saliendo con el proceso. Se eligen unas cuantas de ellas, hay una técnica para…
Juan Carlos Gil describe el proceso final del ciclo iterativo para generar estructuras de hielo, explicando cómo se calcula la energía libre de las estructuras restantes después de múltiples refinamientos.
Habla: Juan Carlos GilSignificado #1 · Palabras #1error potencial profundo dft-fetenestructuras complejas umbral energéticoentrenamiento potencial profundo red profundaaprendizaje activo estructuras mejorescálculo energía libre estructuras supervivientesdft refinamiento geometrías exactasdinámica molecular potencial porcentajesimulaciones energía libre estructurasmapa energía-densidad estructuras hielolínea cian envolvente convexaumbral filtrado línea punteada naranjafases del hielo conocidas método…que tenemos en estos momentos están describiendo bien las estructuras rarunas que van saliendo con el proceso. Se eligen unas cuantas de ellas, hay una técnica para elegirlas y se calcula su DFT, su estructura y su potencial, bien con un DFT bien hecho. Si el error del potencial profundo respecto del DFT-FETEN supera los 3 milielectronvoltios por molécula, entonces se cogen esas estructuras complicadas y se alimentan a la última fase del ciclo, el entrenamiento del potencial profundo que os mencionaba antes. Se calcula un DFT superbueno y se alimenta con estas estructuras a la red profunda para mejorar el potencial profundo, valga la redundancia de tanto profundo; era lo que antes llamábamos aprendizaje activo. Tenemos entonces estructuras mejores, potencial refinado y seguimos con el ciclo hasta que, después de dar las vueltas que sean necesarias, Convergen los dos puntos de decisión que hay en el diagrama y cuando es así nos salimos en el bloque final, abajo a la derecha de la figura, que pone cálculo de la energía libre con las estructuras supervivientes a todas estas perrerías, pues se relajan por última vez con un DFT ahora muy, muy, muy fino para obtener las geometrías exactas, perfectas y se calcula su energía libre mediante nuevas simulaciones por dinámica molecular con potencial porcentaje. No sé si habéis, bueno, montón de palabras; a mí es una belleza que me sublime ya lo que hacen aquí, cosa que yo desconocía; yo me salí de esto hace ya algunas décadas y he flipado. Resultados exploran 131.481 estructuras, más de 130.000. La figura 3 es el mapa de energía-densidad, energía-densidad que os comentaba antes y han puesto todos los puntitos de todas las estructuras; cada puntito azul clarito es una estructura. La línea Cian por debajo es la envolvente convexa de la que os hablaba y 18.000 eV por arriba, la línea punteada naranja, es el umbral de filtrado. Entre ambas líneas están las estructuras que diría Francis Feten, que incluyen, ojo, todas las fases del hielo conocidas a este rango de presiones y temperaturas que el método, sorprendentemente para mí, ha redescubierto sin ningún problema. Incluidas destacan los autores, los desafiantes hielos 4 y 5, que son puñeteros, y el esquivo hielo 17, que es metastable. Todas las estructuras del hielo las recaza el método este. También encuentran varias estructuras que han sido predichas por simulaciones…
Juan Carlos Gil comenta los resultados obtenidos al aplicar un método específico al estudio del agua a bajas y medias presiones.
Habla: Juan Carlos GilSignificado #18agua a bajas y medias presioneshielos reales y potenciales profundosprecisión cuántica en el cálculo estructural…de densidad y una función de huella dactilar, un proceso de aprendizaje automático para reentrenar la red neuronal profunda, todo ello salpimentado con cálculos de la teoría del funcional de la densidad. En fin, no sé si alguien da más, pero es apabullante. Segundo resultado, al aplicar este método al agua, a bajas y medias presiones, han redescubierto todo lo que había por redescubrir. Los hielos reales, los sospechosos, propuestos anteriormente, lo que demuestra que el potencial profundo, hombre, describe la naturaleza de forma razonable. Ellos dicen siempre precisión cuántica. Bueno, el término podría ser discutible, pero realmente es una forma de calcular estas estructuras y sus energías muy próxima. A un DFT completo. Obviamente nadie ha podido hacer esto en toda la profundidad de presiones y temperaturas porque no había forma de hacerlo rápido. Por lo tanto, este método, en palabras de los autores y en mi opinión, abre una nueva etapa en el estudio del…