机器学习预测材料性能

LAMMPS分子动力学

机器学习导论

学习目标：对机器学习基本概念进行介绍，让大家对机器学习基本概念有大致了解。明确机器学习方法的适用性，优势，以及局限性等

• 什么是机器学习

• 机器学习的应用实例

• 机器学习在材料领域的应用

python语言基础

学习目标：机器学习主流实现是python语言。在学习机器学习之前，有针对性的对python进行系统的学习，以方便将来开展机器学习的学习

• python安装与开发环境的搭建

• 基本数据类型

• 组合数据类型

• 控制结构

• 循环结构

• 函数

• 模块

深度学习神经网络

学习目标：从零开始手动实现一个神经网络，在这一过程中对所涉及的原理进行系统讲解及实践，让大家能够更深刻的理解算法背后的原理以及实现方法，之后有利于对其他机器学习更全面快速掌握

• logistic 回归与损失函数

• 梯度下降法与 导数

• 计算图的导数计算

• logistic 回归中的梯度下降法

• 向量化 logistic 回归的梯度输出

• 神经网络的梯度下降法

• 深层网络中的前向传播

• 深度学习框架

经典机器学习模型及应用

学习目标：对在材料领域中最常使用的几种机器学习模型进行介绍，总结它们的优缺点及适用范围，通过动手实践快速掌握几种方法

• 线性模型

• 决策树

• 支持向量机

• 集成学习

• 模型选择与性能优化

材料数据库及特征工程

学习目标：数据库构建是机器学习中的重要步骤，对材料领域常见的数据库进行介绍，学习如何利用ASE，pymatgen等软件包批量构建及处理数据集，以及对材料进行特征选择。讲解常见的材料结构表示方法及编码

• 常见材料数据库简介

• 材料训练集的构建

• 材料与化学数据的特征工程

• 常见的材料特征选择方法

• 模型性能评估和优化

图神经网络入门及实践

学习目标：图神经网络是最近在科学领域最为火热的研究领域。由于化学结构与图论有着天然的适配性，相较于其他模型，图神经网络在材料化学领域更为擅长。在这一部分我们会对图神经网络进行系统的讲解，学习常见的图神经网络架构，实践图神经网络在部分材料中的应用

• 图论简单入门

• 图神经网络概念介绍

• 化学与材料领域经典的图神经网络架构

• 图神经网络在材料中应用的实践

机器学习+Science

学习目标：介绍机器学习领域前沿内容，让大家了解最新的材料科学与机器学习领域的研究动态，同时介绍几种更为先进的机器学习算法

• 强化学习在材料优化问题中的应用

• 主动学习框架的在科学问题中的实现

• 生成模型在材料设计中的应用与挑战

• Transformer应用——以AlphaFold2为例

应用实例

在整个教学过程穿插以下应用实例：（可根据学员要求补充）

• 神经网络在催化中的应用——CO2还原

• 利用机器学习方法预测杂化钙钛矿的带隙和形成能

• 利用机器学习实现有机太阳能电池材料的快速筛选

• 利用图神经网络预测无机材料的性能

• 多种机器学习模型对量子点发光材料色温的预测

课  程

内   容

赠送视频内容

MD基础知识

分子动力学模拟入门理论——掌握LAMMPS的in文件中实现这些功能的命令

系综理论、主要算法介绍、单位制

积分步长的选取、温度和压力控制、

周期性边界条件

力场简介

分子动力学模拟流程

第一天 上午

LAMMPS基础入门

1  LAMMPS的基础入门——初识LAMMPS是什么？能干什么？怎么用？

1.1 LAMMPS在win10和ubuntu系统的安装及使用

1.2 in文件结构格式

1.3 in文件基本语法：结合实例，讲解in文件常用命令

1.4 data文件格式

1.5 LAMMPS常见错误解决途径

实例操作：

运行并理解跟自己科研方向相近的例子。

第一天 下午

LAMMPS进阶

（石墨烯、金属材料模拟专题）

2 LAMMPS进阶实例操作，理解模拟对象的物理意义——从简单例子走向文献模型，举一反三提高学习效率

实例操作： 

2.1 把剪切模型转换成拉伸模型

2.2 lattice命令石墨烯、金属、合金、高熵合金不同形状模型

2.3 石墨烯(不同力场)、金属、合金、高熵合金等拉伸剪切力学性质模拟

第二天 上午

LAMMPS进阶

（纳米流体模拟专题）

3 LAMMPS进阶实例操作，理解模拟对象的物理意义——从简单例子走向文献模型，举一反三提高学习效率

实例操作： 

3.1 把二维couette和poiseuille流动扩展成三维模型

3.2 建立三维管道内的poiseuille流动

3.3 进行石墨烯通道内的Couette流动和Poiseuille流动模拟

3.4 调节通道表面电荷性质、亲疏水性质，分析其对流动性质的影响

3.5 学习使用packmol，建立复杂混合溶液体系模型

3.6 模拟KCl等盐溶液的纳米流体流动

第二天 下午

LAMMPS进阶

（热传导模拟专题）

4 LAMMPS进阶实例操作，理解模拟对象的物理意义——从简单例子走向文献模型，举一反三提高学习效率

实例操作：

4.1 理解导热系数意义

4.2 掌握lammps计算导热系数的几种方法

4.3 碳纳米管等导热系数的模拟计算

第三天 上午

LAMMPS进阶

（多成分体系模拟专题）

5 LAMMPS进阶实例操作，理解模拟对象的物理意义——从简单例子走向文献模型，举一反三提高学习效率

实例操作： 

5.1 金属、合金、高熵合金的摩擦模拟

5.2 材料切削模拟

5.3 夹层结构(graphene/C60/graphene)在不同粗糙度条件下的摩擦模拟复现

第三天 下午

LAMMPS进阶

（金属、半导体材料的辐照模拟）

6离子辐照对石墨烯、金属、碳化硅的离位损伤模拟

6.1 建立模拟体系的初始模型

6.2 PKA动能、位移随时间变化

6.3 点缺陷结构可视化

6.4 点缺陷的数量随时间变化

6.5 点缺陷的空间分布及演化过程

备选内容，根据课堂进度和学员情况决定

VMD、OVITO、msi2lmp等有机小分子建模，模型合并及模拟的轨迹文件处理等

第四天 上午

自建分子力场参数文件和金属有机框架材料晶体模型

7 LAMMPS分子力场文件创建及MOFs材料建模

7.1 介绍固体材料单晶包试验数据结构，掌握基本的材料几何特征

7.2 利用MS软件构建MOFs材料单晶包模型和H2和CO2分子模型

7.3 讲解分子作用势能函数，学习编写MS软件中的力场参数文件（off文件）

7.4 简单介绍巨正则系综Monte Carlo方法

7.5 利用Sorption模块将H2和CO2分子插入到MOFs材料

7.6 编写LAMMPS力场文件（frc文件），并通过lammps程序生成data文件

7.7 运行能量最小化及体系的预松弛

7.8 模拟步骤：包括能量最小化NVT平衡，对研究目标的性质进行长时间轨迹平衡-输出研究所关心的性质。

实例操作：金属有机框架（MOFs）储氢和碳捕集模拟，计算密度分布，分子的MSD等性质。

第四天 下午

分子筛纳米膜分离H2/CO2混合气体模拟

8 研究H2/CO2在ZIF-7膜材料中分离性能——模拟文献Science 346 (6215), 1356-1359的分离过程

8.1  利用MS软件构建ZIF-7膜材料单晶包

8.2  设计H2/CO2与ZIF-7体系模型，再现文献“Science 346 (6215), 1356-1359”的实验过程。

8.3  自定义分子力场文件（frc文件），通过lammps程序生成data文件

8.4  运行能量最小化及体系的预松弛

8.5  模拟步骤：包括能量最小化NVT平衡，对研究目标的性质进行长时间轨迹平衡-输出研究所关心的性质。

8.6  采用VMD查看动态轨迹 

8.7  数据分析，计算RDF，MSD，密度分布，选择性等

实例操作：VMD中查看可视化的动态轨迹，计算密度分布，分子的MSD等，抽取轨迹的动能、势能、总能量等相关数据，对轨迹进行初步分析。

课  程

内   容

第一天 上午

ReaxFF基础理论

1  ReaxFF反应力场理论概述

1.1 ReaxFF反应力场的发展历程

1.2 ReaxFF反应力场的理论基础

1.3 ReaxFF反应力场参数分枝与详解

1.4 ReaxFF反应力场的应用领域

第一天 下午

ReaxFF基础入门

2  ReaxFF反应力场基础入门

2.1 所需输入重要文件详解包括 control,  geo, ffield等文件

2.2 结合实例，讲解输入文件命令行，输出文件

2.3 ReaxFF反应力场简单实例操作及结果查看

2.4 ReaxFF反应力场开发所需文件，力场验证方法（参数或反应路径扫描）

2.5 ReaxFF反应力场运行软件(standalone ReaxFF,LAMMPS)和程序获取

2.6 ReaxFF 反应力场的选取和准备

第二天 上午

ReaxFF计算软件

3 分子建模，可视与计算软件

3.1 建模软件gview, material studio

3.2 可视软件molden, VMD, OVITO

3.3 ReaxFF计算软件 standalone ReaxFF, LAMMPS

3.4 LAMMPS运行设置

第二天 下午

ReaxFF特殊功能

4 ReaxFF特殊功能介绍（主要针对standalone ReaxFF程序）

4.1 改变体系温度或体积tregime.in, vregime.in, 加电场 eregime.in等

4.2 随机产生给定比例的混合物

4.3 geo文件的产生, 设定电荷, 限制键长键角和扫描等

4.4 指定时间在体系中添加和删除特定分子

4.5 产物化学组分分析与结果可视化

4.6 巨正则蒙特卡洛模拟gcmc设置

4.7 偏执势蒙特卡洛模拟fbmc设置

第三天 上午

ReaxFF进阶实例

5 ReaxFF进阶实例操作，理解计算模拟的过程及物理意义

实例操作：溶液中的质子转移(JPCB,JPCL文献)

1. 建立初始模型：重点注意事项(minimization->nvt->compress->npt->nvt)

2. 输入文件设置, 开启输出unfolded坐标文件

3. 模拟步骤：能量最小化，压缩，系综平衡等

4. VMD查看结果分析：msd，扩散系数，rdf，sdf, 质子追踪等

第三天 下午

ReaxFF进阶实例

实例操作： 碳化硅表面石墨烯的生长（Chem. Mater文献）

1. 建模与输入文件，表面选取与准备

2. 热分解法生长石墨烯，删除表面硅

3. cvd法生长石墨烯，添加乙炔分子

4. 可视评估石墨烯质量 （模拟结果统计与可视化）

交流互动环节

针对学员的问题一一作答

COMSOL仿真基础

1、COMSOL软件基本操作

1.1 创建模型一般步骤

1.2 几何创建方法

1.3 网格划分技巧

1.4 方程及边界设置

2、后处理

2.1 数据集创建

2.2 衍生量的计算 

2.3 结果图的绘制

实例操作：肋片散热模型

COMSOL燃料电池仿真

3、燃料电池仿真

3.1 燃料电池开路电压计算

3.2 燃料电池三种极化损失

4、多孔电极有效扩散系数构建

4.1 多孔电极构建方法

4.2 曲率与孔隙率关系

4.3 尘气模型实现方法

实例操作：多孔电极模型、尘气输运模型

5、从简到真的建模方法

5.1 只考虑气体输运

5.2 添加导电过程

5.3 添加电化学过程

5.4 添加退化过程

实例操作：纽扣电池模型

6、连接体研究分析

6.1 燃料电池活化设置方法

6.2 传质-导电-电化学多场耦合方法

6.3 接触电阻、氧死区处理方法

6.4 连接体优化与设计

实例操作：连接体优化模型、新型连接体模型

7、直接碳燃料电池性能研究

7.1 Boudouard反应设置

7.2 热源设置方法

7.3 传质-导电-电化学-热多场耦合方法

7.4 性能分析

实例操作：直接碳燃料电池模型

8、应力分析

8.1 力学边界设置

8.2 损伤几率求解

8.3 残余应力分析

8.4 热应力分析

实例操作：微管应力模型

9、COMSOL锂电池仿真分析

9.1 锂电池活化极化方法

9.2 电化学-热耦合方法

实例操作：锂电池热管理模型

COMSOL电沉积模型仿真

10、COMSOL锂金属电沉积模型基本介绍

10.1 二维电沉积模型所需要的物理接口简介

10.2 电沉积电化学理论

10.3 通过电沉积模拟可以得到哪些有价值的结果

11、电沉积模型的实现

11.1 三次电流分布和电分析接口设置

11.2 金属界面设置

11.3 瞬态和稳态模拟的区别

11.4 界面双电层模型引入

实例操作1：锂金属沉积二维模型

实例操作2：锂金属沉积三维模型

12、电沉积模型在SCI学术论文中的应用介绍

12.1 如何在论文中利用电沉积模型解析科学问题

12.2 关于COMSOL模拟在论文中的写作技巧