Universal Structure Predictor:
Evolutionary Xtallography

Что такое USPEX?

USPEX – это метод компьютерного предсказания кристаллических структур, разработанный профессором Артёмом Огановым (Artem R. Oganov) и его учениками Андрием Ляховым, Колином Глассом, Цяном Чжу и другими. Задача предсказания кристаллической структуры является центральной для теоретической кристаллохимии, и на протяжении долгого времени считалась нерешаемой. Так, в 1988 Джон Мэддокс (John Maddox) писал:

"Одним из продолжительных скандалов в физических науках является то, что в общем случае невозможно предсказать структуру даже простейших кристаллических веществ, зная только их химический состав... такие вещества, как кристаллическая вода (лёд) считаются запредельно сложными для смертных."

Метод USPEX позволяет предсказывать кристаллическую структуру при произвольных P-T условиях, исходя из знания только химического состава материала. На сегодняшний день USPEX используют более 8500 исследователей по всему миру. Такая популярность объясняется высокой эффективностью и надёжностью этого метода. В методе постоянно появляются новые улучшения.

Помимо предсказания структур кристаллов, USPEX способен предсказывать структуры низкоразмерных материалов: наночастиц, полимеров, поверхностей, межзеренных границ и 2D-кристаллов. Он способен эффективно работать с молекулярными кристаллами (в том числе содержащими довольно сложные молекулы). Кроме того, USPEX может предсказывать составы стабильных соединений и соответствующие им кристаллические структуры, исходя только из названий химических элементов. В дополнение к полностью неэмпирическому поиску, USPEX позволяет предсказывать широкий набор метастабильных структур и проводить расчёты с использованием различной информации о системе.

Также USPEX может быть использован как для поиска низкоэнергетических метастабильных фаз, так и для стабильных структур наночастиц, реконструкции поверхностей, молекулярных упаковок в органических кристаллах и для поиска материалов с необходимыми физическими (механическими, электронными) свойствами. Код USPEX основан на эффективном эволюционном алгоритме, разработанном группой профессора Оганова, но в коде также реализованы альтернативные методы (случайный поиск, метадинамика, улучшенный алгоритм оптимизации роя частиц) и методы поиска механизмов превращений кристаллических структур (метод упругой ленты с переменной ячейкой, метод TPS). USPEX сопряжен со многими программами для DFT и классических расчётов, в их числе VASP, SIESTA, GULP, Quantum Espresso, CP2K, CASTEP, LAMMPS и другие - эти программы используются для расчёта энергий и релаксации структур.

Недавно наша группа (Сколтех, МФТИ) совместно с Центром распределённых вычислений (расположённым в ИППИ РАН) и отделением прикладной оптимизации (расположённым в ФИЦ ИУ РАН) запустили проект гражданской науки USPEX@home. Мы приглашаем вас поделиться ресурсами своего компьютера для поиска новых материалов. Мы приглашаем вас поделиться ресурсами своего компьютера для поиска новых материалов.

Тест USPEX: предсказание пост-перовскитной структуры MgSiO3, с ячейкой из 40 атомов. Слева - поиск с помощью локальной оптимизации случайных структур, справа - эволюционный поиск с помощью USPEX. В то время как случайный поиск не находит правильную структуру даже после перебора 120000 структур, USPEX определяет стабильную структуру после менее 1000 структур.

Нажмите для просмотра

Анализ и визуализация

Вывод программы USPEX может быть визуализирован разными способами, в том числе с использованием VESTA. USPEX также вывод некоторые данные в pdf-формате, позволяя быстро оценить результаты. Также мы очень рекомендуем STM4 код, который был написан Mario Valle и полностью совместим с USPEX.

Особенности кода

Предсказания стабильных и метостабильных структур только по известному химическому составу. Также возможен одновременный поиск стабильных композиций и структур.
Получение частичной структурной информации возможно в случаях
1. ограничевая поиск фикисрованными экспериментальныим параметрами ячейки, или фиксированной формой, или фиксированным объемом,
2. начиная структурных поиск от известных или гипотетических структур,
3. собирая кристаллическую структуру используя заданные молекулы, включая гибкие молекулы.
Эффективные ограничивающие техники, которые исключают нефизичные или излишние регионы пространства поиска. Техника сокращения ячеек (Oganov & Glass, 2008).
Выбор на основе фингерпринтов (Oganov & Valle, 2009; Lyakhov, Oganov, Valle, 2010).
Инициализация на основе полностью случайного поиска, или с использованием пространственных групп и техниками разделения ячеек. (Lyakhov, Oganov, Valle, 2010).
Анализ результатов на лету - определение пространственных групп (и вывод в CIF-формате), рассчет твердости, параметров порядка и т. д.
Предсказание структуры наночастиц и реконструкция поверхности.

Возможность перезагрудки, позволяющая продолжить вычисления от любой точки эволюционной траектории.
Мощные средства для визуализации и анализа реализованы в STM4 (M. Valle), который полностью совместим с USPEX.
USPEX поддерживает интерфейс с VASP, SIESTA, GULP, DMACRYS, CP2k, QuantumEspresso, LAMMPS, ATK, MOPAC, FHI-aims, Gaussian. Простой интерфейс с другими программами.
Возможность отправления задач с локального компьютера на удаленные кластеры и суперкомпьютеры.
Опции для предсказания структур с использованием USPEX (по умолчанию), случайной выборки, скорректированного метода роя частиц, эволюционной метадинамики, алгоритмов прыгающих минимумов. Возможности для предсказания механизмов фазовых переходов с использованием эволюционной метадинамики, методов NEB и TSP.
Взможности для оптимизации физических свойств вместо энергии - например, твердости (Lyakhov & Oganov, 2011), плотности (Zhu et al., 2011), ширины запрещенной зоны и диэлектрической константы (Zeng et al., 2014), и многих других свойств.
Многие возможности находятся в разработке. Будут описаны позже...

Некоторые исследования пользователей USPEX

Пентазолат натрия: богатый азотом материал с высокой плотностью энергии

B.A. Steele and I.I. Oleynik (2016). Sodium pentazolate: A nitrogen rich high energy density material. Chemical Physics Letters 643, 21-26. (link).

Пентазолат натрия, новый материал с высокой плотностью энергии, предсказан учеными из Университета Южной Флориды, использовавших код USPEX – мощный метод предсказания структуры кристаллов. Анионы пентазолата стабилизируются в твердой фазе катионами натрия при давлениях более 20 ГПа, и становятся метастабильными при уменьшении давления.

Расчет структуры перспективных катализаторов

Ye-Fei Li and Annabella Selloni (2014). Mosaic Texture and Double c-Axis Periodicity of β-NiOOH: Insights from First-Principles and Genetic Algorithm Calculations. The Journal of Physical Chemistry Letters 5(22), 3981–3985. (link).

Группа учёных из Принстона под руководством Аннабеллы Селлони (Annabella Selloni) предсказала с помощью USPEX структуру активной составляющей легированного железом оксида никеля, очень активного катализатора для окисления воды. Ли (Li) и Селлони определили устойчивые туннельные структуры никель оксида, объясняющие мозаичную текстуру, которая образуется во время реакции. Лучше понимая структуру материала, исследователи намерены полностью описать его роль в реакции окисления.

Предсказание новых сплавов алюминия со скандием или танталом

Bilić, A., Gale, J. D., Gibson, M. A., Wilson, N., & McGregor, K. (2015). Prediction of novel alloy phases of Al with Sc or Ta. Scientific Reports, 5, 9909 (link).

В статье определили термодинамически стабильные бинарные сплавы Al с Sc или Ta. Авторы посчитали состав, кристаллическую структуру и энтальпии образования известных стабильных интерметаллидов Al-Sc (Al3S, Al2Sc, AlSc, AlSc2 и AlSc3), а также Al3Ta. Вдобавок они открыли новые стабильные фазы Al3Sc2 и AlTa7.

Новый гидрид серы H3S и его неожиданная высокотемпературная сверхпроводимость под большим давлением

Defang Duan, Yunxian Liu, Fubo Tian, Da Li, Xiaoli Huang, Zhonglong Zhao, Hongyu Yu, Bingbing Liu, Wenjing Tian & Tian Cui (2014). Pressure-induced metallization of dense (H2S)2H2 with high-Tc superconductivity. Scientific Reports 4, 6968 (link).

Defang Duan, Xiaoli Huang, Fubo Tian, Da Li, Hongyu Yu, Yunxian Liu, Yanbin Ma, Bingbing Liu, and Tian Cui (2015). Pressure-induced decomposition of solid hydrogen sulfide. Phys. Rev. B 91(18), 180502 (link).

Авторы исследований показали, что при очень больших давлениях сульфид серы, который практически не образуется при нормальных условиях, может образовываться двумя основными способами: 3H2S→2H3S+S，S+3/2H2→H3S. Примечательно, что температура Кюри фазы Im-3m при 200 ГПа достигает очень высоких значений в 191-204К. На данный момент это самая высокая температура сверхпроводимости среди известных материалов. Эксперименты в системе H-S при высоком давлении подтвердили теоретические предсказания и определили температуру сверхпроводимости как 203К.

Текущие ограничения USPEX

Из-за высокой успешности метода, мы не видим много практических ограничений. Метод эффективен для систем, содержащих до 100-200 атомов на ячейку. Трудности с большими системами возникают из-за увеличивающейся вычислительной стоимости квантовых расчётов, а также из-за экспоненциально возрастающего числа энергетических минимумов. Наш алгоритм эффективно справляется с подобными трудностями, и ожидается, что он в ближайшем будущем будет способен предсказывать структуры из многих сотен атомов.

Стать пользователем USPEX

Пожалуйста, зарегестрируйтесь на этой странице

Регистрация

сравнения с другими методами

Наш подход был протестирован вместе с другими методами компьютерного дизайна материалов. Ниже вы можете увидеть результаты кода USPEX (эволюционных алгоритм), CALYPSO (PSO метод) и метода прыгающих минимумов для кластеров разных размеров, связанных потенциалом Леннарда-Джонса (Lyakhov et al., 2013).

	Процент успеха (%)	Среднее число структур до нахождения глобального минимума	Количество вычислений
LJ₃₈ (PSO)	100	605	100
LJ₃₈ (USPEX)	100	35	183
LJ₃₈ (MH)	100	1190	100
LJ₃₈ (PSO)	100	1649	20
LJ₅₅ (PSO)	100	159	100
LJ₅₅ (USPEX)	100	11	60
LJ₅₅ (MH)	100	190	100
LJ₇₅ (PSO)	98	2858	50
LJ₇₅ (USPEX)	100	2145	53

Сравнение кода USPEX (эволюционный алгоритм) и CALYPSO (PSO метод) на TiO2 с 48 атомами/ячейку, описанный одним и тем же силовым полем (данные Lyakhov et al., 2013 для USPEX и Lv et al., 2012).

Метод	Процент успеха (%)	Количество релаксаций
USPEX, cell spliting	100	41
USPEX, no symmetry	100	80
USPEX, with symmetry	100	77
CALYPSO, with symmetry	100	156-400
CALYPSO, no symmetry	90	500

Список литературы, содержащей подробное описание метода

Oganov A.R., Glass C.W. (2006).
Crystal structure prediction using evolutionary algorithms: principles and applications.
J. Chem. Phys. 124, art. 244704 (pdf-file)
Glass C.W., Oganov A.R., Hansen N. (2006).
USPEX – evolutionary crystal structure prediction.
Comp. Phys. Comm. 175, 713-720 (pdf-file)
Oganov A.R., Ma Y., Lyakhov A.O., Valle M., Gatti C. (2010).
Evolutionary crystal structure prediction as a method for the discovery of minerals and materials.
Rev. Mineral. Geochem. 71, 271-298 (pdf-file)
Lyakhov A.O., Oganov A.R., Valle M. (2010).
How to predict very large and complex crystal structures.
Comp. Phys. Comm. 181, 1623-1632 (pdf-file)

Oganov A.R., Lyakhov A.O., Valle M. (2011).
How evolutionary crystal structure prediction works - and why.
Acc. Chem. Res. 44, 227-237 (pdf-file)
Lyakhov A.O., Oganov A.R., Stokes H.T., Zhu Q. (2013).
New developments in evolutionary structure prediction algorithm USPEX.
Comp. Phys. Comm. 184, 1172-1182 (pdf-file)
Niu H.N, Niu S., Oganov A.R. (2019).Simple and accurate model of fracture
toughness of solids. J. Appl. Phys. 125, 065105 (pdf-file)

Разработчики

С момента создания алгоритма в 2005 году USPEX зарекомендовал себя как мощное средство для предсказания кристаллических структур. Всё больше учёных в мире применяют наш метод для своих исследований. Подавляющая часть USPEX была разработана научной группой под руководством Артёма Оганова. Число разработчиков кода также постоянно увеличивается. Здесь приводится список людей, участвующих в разработке USPEX: