17:49 2022-06-24 science - citeste alte articole pe aceeasi tema
Comentarii Adauga Comentariu

_ Topologia și învățarea automată dezvăluie relații ascunse în siliciul amorf

_ Topologie și învățare automată dezvăluie relația ascunsă în siliciul amorf

Oamenii de știință au folosit matematica topologică și învățarea automată pentru a identifica o relație ascunsă între structurile la scară nanometrică și conductivitatea termică în siliciul amorf, o formă sticloasă a materialului fără ordine cristalină care se repetă .

Un studiu care descrie tehnica lor a apărut în Journal of Chemical Physics.

Solide amorfe, cum ar fi sticla, obsidianul, ceara și materialele plastice, nu se repetă pe distanță lungă sau structura cristalină, la atomii sau moleculele din care sunt formate. Acest lucru contrastează cu solidele cristaline, cum ar fi sarea, majoritatea metalelor și rocilor. Deoarece le lipsește o ordine pe distanță lungă în structura lor, conductivitatea termică a solidelor amorfe poate fi mult mai mică decât a unui solid cristalin compus din același material.

Cu toate acestea, poate exista totuși o ordine la interval mediu pe scara nanometrilor. Această ordine de rază medie ar trebui să afecteze propagarea și difuzia vibrațiilor atomice, care transportă căldură. Transportul de căldură în materiale dezordonate prezintă un interes deosebit pentru fizicieni datorită importanței sale în aplicațiile industriale. Forma amorfă a siliciului este folosită într-o gamă enormă de aplicații în lumea modernă, de la celule solare la senzori de imagine. Din acest motiv, cercetătorii au investigat intens semnătura structurală a ordinii medii în siliciul amorf și modul în care aceasta se leagă de conductibilitatea termică.

„Pentru un control mai bun asupra aplicațiilor care folosesc siliciul amorf, controlându-i acestuia. proprietățile termice sunt în fruntea listei de dorințe a inginerilor”, a spus Emi Minamitani, autorul corespondent al studiului și om de știință molecular teoretic la Institutul pentru Științe Moleculare din Okazaki, Japonia. „Extragerea caracteristicilor structurale la scară nanometrică în amorf, inclusiv în ordinea medie, este o cheie importantă.”

Din păcate, cercetătorii s-au străduit să îndeplinească această sarcină deoarece este dificil să se determine caracteristicile esențiale la scară nanometrică. a sistemelor dezordonate folosind tehnici tradiționale.

În experimente, prezența ordinului mediu a fost detectată fizic folosind microscopia electronică cu fluctuații, care implică analiza statistică a împrăștierii din volumele la scară nanometrică a unui material dezordonat. La nivel teoretic, s-a discutat luând în considerare distribuția unghiurilor diedrice (unghiul dintre două plane care se intersectează între mulțimi de atomi) sau folosind „statistica inelului”. Acesta din urmă încearcă să înțeleagă caracteristicile structurale din conectivitatea atomilor.

Acest lucru, la rândul său, se bazează pe domeniul matematicii cunoscut sub numele de topologie, care investighează proprietățile unui obiect care nu se schimbă – sau sunt „invariante” —chiar și atunci când obiectul este întins și deformat în mod constant fără a fi spart (cum ar fi formele scrise pe o foaie de cauciuc). Concentrarea pe această invarianță topologică este utilă pentru a oferi o descriere calitativă, cum ar fi tendința proprietăților fizice în ceea ce privește aleatorietatea. Cu toate acestea, este solicitant să se determine structura atomică corespunzătoare unui ordin mediu și să prezică proprietățile sale fizice numai din invarianți topologici simpli.

Așadar, cercetătorii au trecut la o tehnică emergentă numită omologie persistentă, un tip de analiza datelor topologice. Omologia persistentă a fost folosită în altă parte pentru a analiza structuri complexe, de la proteine ​​la solide amorfe. Beneficiul acestei metode este în detectarea caracteristicilor topologice în structuri complicate la diferite scări spațiale. Acest lucru este vital deoarece ordinul mediu cuprinde structuri cvasi-repetitive la diverse scări. Folosind această caracteristică, putem extrage ordinea de rază medie ascunsă sub ceea ce altfel pare a fi aleatoriu.

Cercetătorii au construit modele computaționale de siliciu amorf prin dinamica moleculară clasică în care temperatura siliciului a fost crescută peste punctul de topire și apoi s-a răcit treptat (stingerea) la temperatura camerei. Diferențele în caracteristicile structurale au fost introduse prin modificarea vitezei de răcire.

Apoi, diagrama persistentă, care este vizualizarea bidimensională a omologiei persistente, a fost calculată pentru fiecare model. Cercetătorii s-au concentrat asupra faptului că diagramele reflectă caracteristicile structurale ale siliciului amorf. Astfel, au construit reprezentarea numerică, numită „descriptori”, care ar putea fi folosită în învățarea automată. Cercetătorul a descoperit că diagrama persistentă a îndeplinit crearea unui descriptor bun pentru utilizare în procedura de învățare automată, care, la rândul său, a realizat predicții precise despre conductivitățile termice.

Prin analizarea în continuare a datelor de omologie persistentă și a mașinii. modelul de învățare, cercetătorii au ilustrat relația ascunsă anterior dintre ordinul mediu în siliciul amorf și conductivitatea sa termică.

Studiul ar trebui să deschidă acum o cale pentru controlul caracteristicilor materialelor siliciului amorf și ale altor solide amorfe prin intermediul topologia nanostructurilor lor.

(Fluierul)

Inapoi