格子振动频率与许多重要的材料属性有关，例如热和导电性以及超导性。然而，使用密度泛函理论（DFT）方法的振动频率的计算计算过于计算地要求大量的材料筛选样本。在这里，我们提出了一种基于深度的基于神经网络的基于神经网络的算法，用于预测具有高精度的晶体结构的晶振频率。我们的算法使用零填充方案来解决振动频谱的变量尺寸。有关15,000和35552个样本的两个数据集的基准研究表明，汇总$ ^ 2 $分别分别达到0.554和0.724。我们的作品展示了深图神经网络的能力，除了输出尺寸是恒定的状态（DOS）和电子DOS的声子密度之外，还可以学习晶体结构的声光谱性能。
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精确预测物理性质对于发现和设计新材料至关重要。机器学习技术引起了材料科学界的重大关注，以实现大规模筛选的潜力。图表卷积神经网络（GCNN）是最成功的机器学习方法之一，因为它在描述3D结构数据时的灵活性和有效性。大多数现有的GCNN模型集中在拓扑结构上，但过度简化了三维几何结构。然而，在材料科学中，原子的3D空间分布对于确定原子状态和内部力是至关重要的。本文提出了一种具有新型卷积机制的自适应GCNN，其同时在三维空间中同时模拟所有邻的原子之间的原子相互作用。我们将拟议模型应用于预测材料特性的两个明显挑战的问题。首先是亨利在金属 - 有机框架（MOF）中的气体吸附恒定，这是众所周知的，因为它对原子配置的高敏感性。第二种是固态晶体材料中的离子电导率，这是由于少数可用于训练的标记数据而困难。新模型优于两个数据集上的现有基于图形的模型，这表明临界三维几何信息确实捕获。
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Oxidation states are the charges of atoms after their ionic approximation of their bonds, which have been widely used in charge-neutrality verification, crystal structure determination, and reaction estimation. Currently only heuristic rules exist for guessing the oxidation states of a given compound with many exceptions. Recent work has developed machine learning models based on heuristic structural features for predicting the oxidation states of metal ions. However, composition based oxidation state prediction still remains elusive so far, which is more important in new material discovery for which the structures are not even available. This work proposes a novel deep learning based BERT transformer language model BERTOS for predicting the oxidation states of all elements of inorganic compounds given only their chemical composition. Our model achieves 96.82\% accuracy for all-element oxidation states prediction benchmarked on the cleaned ICSD dataset and achieves 97.61\% accuracy for oxide materials. We also demonstrate how it can be used to conduct large-scale screening of hypothetical material compositions for materials discovery.
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计算催化和机器学习社区在开发用于催化剂发现和设计的机器学习模型方面取得了长足的进步。然而，跨越催化的化学空间的一般机器学习潜力仍然无法触及。一个重大障碍是在广泛的材料中获得访问培训数据的访问。缺乏数据的一类重要材料是氧化物，它抑制模型无法更广泛地研究氧气进化反应和氧化物电催化。为了解决这个问题，我们开发了开放的催化剂2022（OC22）数据集，包括62,521个密度功能理论（DFT）放松（〜9,884,504个单点计算），遍及一系列氧化物材料，覆盖范围，覆盖率和吸附物（ *H， *o， *o， *o， *o， *o， * n， *c， *ooh， *oh， *oh2， *o2， *co）。我们定义广义任务，以预测催化过程中适用的总系统能量，发展几个图神经网络的基线性能（Schnet，Dimenet ++，Forcenet，Spinconv，Painn，Painn，Gemnet-DT，Gemnet-DT，Gemnet-OC），并提供预先定义的数据集分割以建立明确的基准，以实现未来的努力。对于所有任务，我们研究组合数据集是否会带来更好的结果，即使它们包含不同的材料或吸附物。具体而言，我们在Open Catalyst 2020（OC20）数据集和OC22上共同训练模型，或OC22上的微调OC20型号。在最一般的任务中，Gemnet-OC看到通过微调来提高了约32％的能量预测，通过联合训练的力预测提高了约9％。令人惊讶的是，OC20和较小的OC22数据集的联合培训也将OC20的总能量预测提高了约19％。数据集和基线模型是开源的，公众排行榜将遵循，以鼓励社区的持续发展，以了解总能源任务和数据。
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数据驱动的生成机器学习模型最近被出现为最有希望的新材料发现方法之一。虽然发电机型号可以产生数百万候选者，但训练快速准确的机器学习模型至关重要，以滤除具有所需特性的稳定，可合成的材料。然而，通过缺乏不稳定或不合益的样本严重阻碍了构建监督回归或分类筛查模型的努力，这通常不会收集和沉积在诸如ICSD和材料项目（MP）的材料数据库中。与此同时，这些数据库中有很多未标记的数据。在这里，我们提出了一个半监控的深度神经网络（TSDNN）模型，用于高性能形成能量和合成性预测，通过其独特的教师 - 学生双网络架构实现，并有效利用大量未标记数据。对于基于能量基于能量的稳定性筛选，与基线CGCNN回归模型相比，我们的半监控分类器实现了绝对的10.3 \％的准确性改进。对于合成性预测，我们的模型显着增加了基准PU学习从87.9 \％到97.9 \％的真正阳性率使用1/49型号参数。为了进一步证明我们模型的有效性，我们将我们的TSDNN-Energy和Tsdnn-InsteSizability模型与我们的Cubicgan发生器组合起来，以发现新型稳定的立方体结构。我们的模型中的1000个推荐的候选样品，其中512个具有由我们的DFT形成能量计算验证的负面形成能量。我们的实验结果表明，我们的半监督深度神经网络可以在大型生成材料设计中显着提高筛选准确性。
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大型未标记语料库上的预训练的变压器语言模型已产生了最新的最先进的结果，从而导致了自然语言处理，有机分子设计和蛋白质序列的产生。但是，尚未应用这种模型来学习无机材料的组成模式。在这里，我们使用在ICSD，OQMD中存放的材料和材料项目数据库中扩展的公式培训了七种现代变压器模型（GPT，GPT-2，GPT-2，GPT-NEO，GPT-NEO，GPT-J，BLMM，BART和ROBERTA） 。六个不同的数据集，具有/输出非电荷 - 中性或平衡的电负性样品用于对性能进行基准测试，并发现现代变压器模型的产生偏见，以生成材料组成的生成设计。我们的广泛实验表明，基于因果语言模型的材料变形金刚可以产生高达97.54 \％的化学有效材料组合物，即充电中性，而91.40 \％的电负性平衡，与基线相比，它的富集高6倍以上伪随机抽样算法。这些模型还表现出了很高的新颖性，并且它们在新材料发现中的潜力已经证明了它们的能力恢复了留出的材料。我们还发现，可以通过使用精选的训练集（例如高带盖材料）训练模型来量身定制生成的样品的性能。我们的实验还表明，不同模型在生成样品的属性方面都有自己的喜好，并且其运行时间复杂性差异很大。我们已经应用了材料变压器模型来发现一套使用DFT计算验证的新材料。
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这项工作介绍了神经性等因素的外部潜力（NEQUIP），E（3） - 用于学习分子动力学模拟的AB-INITIO计算的用于学习网状体电位的e（3）的神经网络方法。虽然大多数当代对称的模型使用不变的卷曲，但仅在标量上采取行动，Nequip采用E（3） - 几何张量的相互作用，举起Quivariant卷曲，导致了更多的信息丰富和忠实的原子环境代表。该方法在挑战和多样化的分子和材料集中实现了最先进的准确性，同时表现出显着的数据效率。 Nequip优先于现有型号，最多三个数量级的培训数据，挑战深度神经网络需要大量培训套装。该方法的高数据效率允许使用高阶量子化学水平的理论作为参考的精确潜力构建，并且在长时间尺度上实现高保真分子动力学模拟。
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The application of superconducting materials is becoming more and more widespread. Traditionally, the discovery of new superconducting materials relies on the experience of experts and a large number of "trial and error" experiments, which not only increases the cost of experiments but also prolongs the period of discovering new superconducting materials. In recent years, machine learning has been increasingly applied to materials science. Based on this, this manuscript proposes the use of XGBoost model to identify superconductors; the first application of deep forest model to predict the critical temperature of superconductors; the first application of deep forest to predict the band gap of materials; and application of a new sub-network model to predict the Fermi energy level of materials. Compared with our known similar literature, all the above algorithms reach state-of-the-art. Finally, this manuscript uses the above models to search the COD public dataset and identify 50 candidate superconducting materials with possible critical temperature greater than 90 K.
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数据驱动的机器学习方法有可能显着加速材料设计的速率，而不是传统的人类指导方法。这些方法将有助于识别或在生成模型的情况下，甚至可以创建具有一组指定功能特性的新型材料结构，然后在实验室中合成或隔离。对于晶体结构的产生，关键的瓶颈在于为机器学习模型开发合适的原子结构指纹或表示，类似于分子生成中使用的基于图或微笑的表示。但是，找到对翻译，旋转和排列不变的数据有效表示，而笛卡尔原子坐标仍然是可逆的，仍然是一个持续的挑战。在这里，我们通过采用具有所需的不变的现有的不可糊化表示并开发算法来通过使用自动分化的基于梯度的优化来重建原子坐标，从而提出了一种替代方法。然后，可以将其与生成机器学习模型耦合，该模型在表示空间内生成新材料，而不是在数据范围内的笛卡尔空间中生成新材料。在这项工作中，我们使用以原子为中心的对称函数来实现这种端到端的结构生成方法，作为表示和条件变化自动编码器作为生成模型。我们能够成功地生成亚纳米PT纳米颗粒的新颖和有效的原子结构，作为概念证明。此外，该方法可以很容易地扩展到任何合适的结构表示形式，从而为基于结构的生成提供了强大的，可推广的框架。
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电子密度$ \ rho（\ vec {r}）$是用密度泛函理论（dft）计算地面能量的基本变量。除了总能量之外，$ \ rho（\ vec {r}）$分布和$ \ rho（\ vec {r}）$的功能通常用于捕获电子规模以功能材料和分子中的关键物理化学现象。方法提供对$ \ rho（\ vec {r}）的可紊乱系统，其具有少量计算成本的复杂无序系统可以是对材料相位空间的加快探索朝向具有更好功能的新材料的逆设计的游戏更换者。我们为预测$ \ rho（\ vec {r}）$。该模型基于成本图形神经网络，并且在作为消息传递图的一部分的特殊查询点顶点上预测了电子密度，但仅接收消息。该模型在多个数据组中进行测试，分子（QM9），液体乙烯碳酸酯电解质（EC）和Lixniymnzco（1-Y-Z）O 2锂离子电池阴极（NMC）。对于QM9分子，所提出的模型的准确性超过了从DFT获得的$ \ Rho（\ vec {r}）$中的典型变异性，以不同的交换相关功能，并显示超出最先进的准确性。混合氧化物（NMC）和电解质（EC）数据集更好的精度甚至更好。线性缩放模型同时探测成千上万点的能力允许计算$ \ Rho（\ vec {r}）$的大型复杂系统，比DFT快于允许筛选无序的功能材料。
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新催化剂的发现是计算化学的重要主题之一，因为它有可能加速采用可再生能源。最近开发的深度学习方法，例如图形神经网络（GNNS）开放的新机会，以显着扩大新型高性能催化剂的范围。然而，由于模棱两可的连接方案和节点和边缘的众多嵌入，特定晶体结构的图表并不是一项简单的任务。在这里，我们提出了GNN的嵌入改进，该改进已通过Voronoi Tesselation修改，并能够预测开放催化剂项目数据集中催化系统的能量。通过Voronoi镶嵌计算图的富集，并将相应的触点固体角度和类型（直接或间接）视为边缘的特征，而Voronoi体积用作节点特征。辅助方法是通过内在的原子特性（电负性，周期和组位置）富集节点表示。提出的修改使我们能够改善原始模型的平均绝对误差，最终误差等于“开放催化剂项目数据集”上每个原子的651 MeV，并且在金属中数据集上的每个原子6 MeV。同样，通过考虑其他数据集，我们表明，明智的数据选择可以将误差降低到高于每个原子阈值20 MEV的值的值。
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产生具有良好稳定性特性的候选晶体结构的有效算法可以在数据驱动的材料发现中起关键作用。在这里，我们表明，晶体扩散变异自动编码器（CDVAE）能够生成高化学和结构多样性和形成能量的二维（2D）材料，这些材料反映了训练结构。具体来说，我们在2615 2D材料上训练CDVAE，其能量上方的凸壳$ \ delta h _ {\ mathrm {hull}} <0.3 $ ev/atom，并生成我们使用密度功能理论（DFT）放松的5003材料。我们还通过系统的元素替代训练结构生成14192个新晶体。我们发现，生成模型和晶格装饰方法是互补和产量材料具有相似稳定性的材料，但晶体结构和化学成分非常不同。总共我们发现11630预测了新的2D材料，其中8599个具有$ \ delta h _ {\ mathrm {hull}} <0.3 $ ev/Atom作为种子结构，而2004年，2004年在Convex Hull的50 MEV之内合成。所有材料的松弛原子结构都可以在开放计算2D材料数据库（C2DB）中获得。我们的工作将CDVAE确定为有效且可靠的晶体生成机器，并显着扩大了2D材料的空间。
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Uncertainty quantification (UQ) has increasing importance in building robust high-performance and generalizable materials property prediction models. It can also be used in active learning to train better models by focusing on getting new training data from uncertain regions. There are several categories of UQ methods each considering different types of uncertainty sources. Here we conduct a comprehensive evaluation on the UQ methods for graph neural network based materials property prediction and evaluate how they truly reflect the uncertainty that we want in error bound estimation or active learning. Our experimental results over four crystal materials datasets (including formation energy, adsorption energy, total energy, and band gap properties) show that the popular ensemble methods for uncertainty estimation is NOT the best choice for UQ in materials property prediction. For the convenience of the community, all the source code and data sets can be accessed freely at \url{https://github.com/usccolumbia/materialsUQ}.
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我们提供了证据表明，学到的密度功能理论（``dft'）的力场已准备好进行基态催化剂发现。我们的关键发现是，尽管预测的力与地面真相有很大差异，但使用从超过50 \％的评估系统中使用RPBE功能的能量与使用RPBE功能相似或较低能量的力量的力量与使用RPBE功能相似或较低的力量放松。这具有令人惊讶的含义，即学习的潜力可能已经准备好在挑战性的催化系统中替换DFT，例如在Open Catalyst 2020数据集中发现的电位。此外，我们表明，在局部谐波能量表面上具有与目标DFT能量相同的局部谐波能量表面训练的力场也能够在50 \％的情况下找到较低或相似的能量结构。与在真实能量和力量训练的标准模型相比，这种``简易电位''的收敛步骤更少，这进一步加速了计算。它的成功说明了一个关键：即使模型具有高力误差，学到的电位也可以定位能量最小值。结构优化的主要要求仅仅是学到的电位具有正确的最小值。由于学到的电位与系统大小的速度快速且尺寸为线性，因此我们的结果开辟了快速找到大型系统基础状态的可能性。
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Machine learning methods have revolutionized the discovery process of new molecules and materials. However, the intensive training process of neural networks for molecules with ever-increasing complexity has resulted in exponential growth in computation cost, leading to long simulation time and high energy consumption. Photonic chip technology offers an alternative platform for implementing neural networks with faster data processing and lower energy usage compared to digital computers. Photonics technology is naturally capable of implementing complex-valued neural networks at no additional hardware cost. Here, we demonstrate the capability of photonic neural networks for predicting the quantum mechanical properties of molecules. To the best of our knowledge, this work is the first to harness photonic technology for machine learning applications in computational chemistry and molecular sciences, such as drug discovery and materials design. We further show that multiple properties can be learned simultaneously in a photonic chip via a multi-task regression learning algorithm, which is also the first of its kind as well, as most previous works focus on implementing a network in the classification task.
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我们提出了一种新的方法，用于使用深度学习方法生成纳米簇的稳定结构。我们的方法包括构建人造势能表面，局部最小值对应于最稳定的结构，并且在构型空间的中间区域中比“真实”潜力更光滑。为了构建表面，使用图形卷积网络。该方法可以将潜在的表面推断到与训练中使用的原子数量更大的结构的情况。因此，该方法在训练集中拥有足够数量的低能结构，可以为地基结构（包括具有较大原子的候选者）生成新的候选物。我们将方法应用于二氧化硅簇$（SIO_2）_n $，并首次找到了n = 28 ... 51的稳定结构。该方法是通用的，不取决于原子的原子数量。
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实现一般逆设计可以通过用户定义的属性极大地加速对新材料的发现。然而，最先进的生成模型往往限于特定的组成或晶体结构。这里，我们提出了一种能够一般逆设计的框架（不限于给定的一组元件或晶体结构），其具有在实际和往复空间中编码晶体的广义可逆表示，以及来自变分的属性结构潜空间autoencoder（vae）。在三种设计情况下，该框架通过用户定义的形成能量，带隙，热电（TE）功率因数和组合产生142个新晶体。在训练数据库中缺席的这些生成的晶体通过第一原理计算验证。成功率（验证的第一原理验证的目标圆形晶体/数量的设计晶体）范围为7.1％和38.9％。这些结果表示利用生成模型朝着性质驱动的一般逆设计的重要步骤，尽管在与实验合成结合时仍然存在实际挑战。
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磁性材料是许多技术的重要组成部分，可以推动生态过渡，包括电动机，风力涡轮机发生器和磁性制冷系统。因此，发现具有大磁矩的材料是越来越优先的。在这里，使用最先进的机器学习方法，我们扫描数十万现有材料的无机晶体结构数据库（ICSD），以找到那些铁磁并具有大的磁矩。晶体图卷积神经网络（CGCNN），材料图网络（MEGNET）和随机森林都培训了包含高吞吐量DFT预测结果的材料项目数据库。对于随机林，我们使用随机方法选择基于化学成分和晶体结构的近百个相关描述符。事实证明，为测试集提供与神经网络相当的测试集。这些不同机器学习方法之间的比较给出了对ICSD数据库预测的错误的估计。
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随着人工智能的快速发展，材料数据库和机器学习的结合促进了材料信息学的进步。因为铝合金在许多领域被广泛使用，因此预测铝合金的性质是很重要的。在本文中，使用Al-Cu-Mg-X（X：Zn，Zr等）合金的数据输入组成，衰老条件（时间和温度）并预测其硬度。分别提出了基于自动机器学习和引入深度神经网络二级学习者的注意机制的集合学习解决方案。实验结果表明，选择正确的二级学习者可以进一步提高模型的预测准确性。该手稿介绍了基于深神经网络的二级学习者的注意机制，并获得了具有更好性能的融合模型。最佳模型的R平方为0.9697，MAE为3.4518hv。
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We introduce an end-to-end computational framework that enables hyperparameter optimization with the DeepHyper library, accelerated training, and interpretable AI inference with a suite of state-of-the-art AI models, including CGCNN, PhysNet, SchNet, MPNN, MPNN-transformer, and TorchMD-Net. We use these AI models and the benchmark QM9, hMOF, and MD17 datasets to showcase the prediction of user-specified materials properties in modern computing environments, and to demonstrate translational applications for the modeling of small molecules, crystals and metal organic frameworks with a unified, stand-alone framework. We deployed and tested this framework in the ThetaGPU supercomputer at the Argonne Leadership Computing Facility, and the Delta supercomputer at the National Center for Supercomputing Applications to provide researchers with modern tools to conduct accelerated AI-driven discovery in leadership class computing environments.
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