J. Phys. Chem. Lett. | 分子力场调参进入元宇宙时代

大家好，本期为大家分享一篇发表在Journal of Physical Chemistry Letters上的文章，文章题目为” Mateverse, the Future Materials Science Computation Platform Based on Metaverse”，文章的通讯作者是来自香港中文大学（深圳）的朱熹教授。在本文中，作者们开发了一种基于元宇宙的力场优化架构，成功优化了水的分子动力学力场。

目前的物理化学计算依赖于科学家编写的多种计算机程序，包括软件（例如VASP，Quantum Espresso用于第一性原理计算，LAMMPS用于分子动力学模拟）和以机器学习，深度学习为代表的经验算法（例如DeepMD）。在这种通过传统数学建模解决物理化学问题的计算范式中，人通过物理模型和超参数间接和原子、分子系统进行交互。大量事实证明，目前这种交互效果没有达到科学家的预期，因为在间接交互的过程中，原子系统中大量无法量化的关联性被忽视，导致局部最优和低模型迁移性的问题。这使得大部分用拟合和优化得到的物理模型不具有普适性。近年来逐渐发展起来的虚拟现实技术和元宇宙技术能够更高效的将人的智力进行数字化，直接作用于物理化学系统。例如在分子动力学模拟中，科学家基于实验数据，通过沉浸式分析原子轨迹，就能判断分子力场是否准确。

为了证明基于元宇宙的计算架构的高效性，作者们设计了基于虚拟现实的计算平台Mateverse，意为“Material + Metaverse”。具体的计算流程如图2所示。用户穿戴VR设备，在一个虚拟界面中对水的分子动力学力场进行优化。力场的初始值可以是目前文献中报道过的参数，例如TIP3P, TIP4P等。经过模拟之后，用当前力场计算出来的水的性质（例如密度，扩散常数，介电常数等）和水分子的运动轨迹会展示在界面中。由于当前模型的缺陷，部分性质会存在较大的误差。用户通过观察分析这些轨迹和性质，通过他们自己对于物理化学模型的理解，他们可以修改相应的力场参数以优化力场。修改后的力场精度会在下一轮分子动力学模拟中得到。通过多次计算，玩家会逐渐掌握力场和系统性质的关联性，从而加快了优化速度。

为了更好地描述分子性质之间的关联性，拓展现有力场数学模型的复杂度，作者提出了力场矩阵的概念。传统力场参数都是以列向量的形式存在，不同数学基组之间的参数没有关联性，例如图3中展示的TIP4P 力场。这里作者们在Mateverse中优化的是一个矩阵形式的力场TIP4P-Meta，其中非对角项体现了不同参数之间的关联性。力场参数的关联性其实反应的是原子系统中相互作用的关联性。因此，将这些关联性参数进一步展开为原子系统中相对距离倒数的多项式加和。这样，原来的一维力场被进一步拓展为一个三维张量，参数空间复杂度显著提高。TIP4P-Meta的优化过程如下：首先根据已充分弛豫的原子初始位置信息，拟合三维张量的系数。然后，根据玩家对力场矩阵的调整，三维张量的值发生对应变化。这样，玩家直接参与到了数字优化过程中。

图3. 力场矩阵架构

作为一个面向未来科研的计算平台，作者们致力于提供晶型设计的一站式服务。作者将优化好的力场用来探索和设计新晶型。基于元宇宙技术，用户可以和晶型结构进行沉浸式的互动，更利于用户理解晶体，蛋白质等三维复杂结构。在Mateverse中，作者们的具体实现方式为：首先借助USPEX等软件产生大量待选结构；对于每一个结构，玩家可以对晶型的几何结构进行调整，包括增加、删除原子，移动原子位置；然后借助优化好的力场，对人为设计的晶型进行进一步优化。和蛋白质设计游戏Foldit相比，Mateverse沉浸式的互动环境将拓展用户的想象力，加速相关材料的设计。

图4. 左：晶型设计过程。右：通过Mateverse设计的新晶型的相图。

简而言之，作者们提出了一个新的分子动力学力场架构，并将其在元宇宙中进行实现和拓展，在优化好水分子力场的同时，可以让用户自由地设计新的潜在晶型，具有很大的开发和应用前景。力场调参进入元宇宙时代，表明未来的材料科学研究方法将发生显著变化，向着“工业5.0”范式迈进。