| تاریخ ارسال: 1402/5/29 |
مقدمه ای بر "توپولوژی شیشه و هوش مصنوعی" برای شیشه: قبل و بعد
شماتیک شبکه های شیشه ای که (الف) نظم توپولوژیکی و (ب) اختلال توپولوژیکی را نشان می دهند. Gupta, Journal of the American Ceramic Society
موضوع این ماه از سری مقالات شیشه: قبل و بعد، توپولوژی شیشه و هوش مصنوعی، در مورد شبیه سازی دینامیک مولکولی است. هر دو توپولوژی و MD (Molecular Dynamics) روش های مدلسازی هستند که در بیان ساختار شیشه ها و طراحی ترکیبات برای هدف ویژگی های با عملکرد خاص کمک کرده اند.
در حالی که دینامیک مولکولی از پتانسیل های بین اتمی برای رسیدن به مشاهدات ساختاری بهره می برد، این روش به زمان و قدرت محاسباتی قابل توجهی برای هر تکرار نیاز دارد. در حال حاضر این امر کارایی آن را برای مطالات ترکیبی و پیش بینی خواص محدود می کند.
W.H. Zachariasen در دانشگاه شیکاگو در مقاله ی سال ۱۹۳۲ خود، یک مدل از ساختار شیشه ارائه کرد که از آن زمان توسط تعدادی از دانشمندان در "تئوری محدودیت توپولوژی" توسعه یافته است. این مدل شامل یک چندوجهی از آرایش اتمی (نظم دامنه کوتاه) است که به صورت تصادفی بر اساس برخی محدودیت های توپولوژیکی (اتصال هندسی) متصل شده اند. که امکان تشکیل شبکه ای با بی نظمی دامنه بلند را فراهم می کند. محدودیت های توپولوژیکی بر اساس هندسه ممکن پیوندهای بین دو اتم و زوایای پیوندی بین سه اتم پیوندی است. محدودیت پیوندها با درجات آزادی حرکت اتمی مقایسه می شود. زمانی که این دو در تعادل باشند شیشه ها تشکیل می شوند. همچنین زمانیکه درجه آزادی حرکت خیلی زیاد یا خیلی کم باشد، سیستم می تواند متبلور شود.
شکل محدودیت های شیشه های سلنیوم ژرمانیم، (a) کشش پیوند و (b) خمش پیوند.
John C. Mauro, ACerS Bulletin
John C. Mauro, ACerS Bulletin
امکانات ساختاری برای محدودیت های چندوجهی به همراه وابستگی های دمایی آنها اغلب با تکنیک هایی مانند تشدید مغناطیسی هسته ای مشخص می شود. دینامیک مولکولی اغلب در غیاب چنین اندازه گیری هایی مورد استفاده قرار می گیرد.
Mathieu Bauchy، دانشیار مهندسی عمران و محیط زیست در دانشگاه کالیفرنیا پیشرو در زمینه نظریه محدودیت توپولوژیکی و هوش مصنوعی است. وی در حال تدریس دوره آنلاین ACerS در زمینه یادگیری ماشین برای مهندسی و علم شیشه است که در ۱۷-۱۹ اکتبر ۲۰۲۳ قابل دسترسی خواهد بود.
اطلاعات زیر از مقاله اخیر Bauchy با عنوان "مدل تحلیل توپولوژی شبکه و صلبیت شیشه های آلومینوسیلیکات کلسیم" انتخاب شده است که تکنیک و کاربرد آن را برای سیستم شیشه آلومینو سیلیکات کلسیم توصیف می کند. مرجع بینظیر دیگر برای فهم تئوری محدودیت توپولوژیکی "تئوری محدودیت توپولوژیکی شیشه ها" نوشته ی John C. Mauro است. ACerS Bulletin, May ۲۰۱۱ ساختار و خواص سیستم سه جزئی آلومینو سیلیکات کلسیم (CAS) به صورت گسترده ای از آزمایشگاهی تا شبیه سازی های اتمی و یادگیری ماشین مورد مطالعه قرار گرفته است. به دلیل استوکیومتری CAS و سایر شیشه های اکسیدی و قابلیت تنظیم مداوم آن یک فرصت بسیار بزرگی برای شناسایی ترکیبات شیشه ی جدید با ویژگی ها و عملکرد مطلوب وجود دارد. با این حال وسعت فضای ترکیبی در دسترس، رویکردهای سنتی کشف مواد (به عنوان مثال، :آزمون خطا" ادیسونی) را ناکارآمد می کند.
برای این منظور، تئوری محدودیت توپولوژیکی (TCT) به عنوان یک عامل کلیدی برای توسعه مدل های پیش بینی است که ترکیب و ساختار شیشه ها را به خواص آن ها مرتبط می کند. مدل های مختلف مبتنی بر TCT در دهه های گذشته برای پیش بینی توانایی شکل دهی شیشه، دمای انتقال شیشه، شکنندگی مایع، سختی، سفتی، سرعت انحلال و ... پیشنهاد شده اند. موفقیت TCT به دلیل این حقیقت است که بسیاری از خواص ماکروسکوپیک مواد بی نظم در درجه اول به توپولوژی ساختار اتمی وابستگی دارد، در حالیکه سایر جزئیات ساختاری فقط یک اثر مرتبه دوم دارند. به این ترتیب، TCT شبکه های اتمی بی نظم پیچیده تری را به بخش های ساختاری ساده تری کاهش می دهد که در آن ها برخی گره ها (اتم ها) توسط برخی محدودیت های توپولوژیکی (پیوندهای شیمیایی) به یکدیگر متصل می شوند.
در شیشه های ساختاری، محدودیت های توپولوژیکی شامل محدودیت های کشش پیوند دو بدنه شعاعی و خمش باند سه بدنه زاویه ای است. سپس تعداد محدودکننده ها به ازای هر اتم یک متریک ساده و با ابعاد کاهش یافته ارائه می دهد که اغلب با خواص ماکروسکوپی مرتبط است.
نکته ی مهم این است که پیش بینی ها برطبق TCT دانش دقیق ساختار شیشه و اتصال تکیه می کند که کلیدی برای شمارش تعداد محدودیت های کشش پیوند و خمش پیوند ایجاد شده توسط هر نوع اتم در شبکه شیشه است. این یک چالش است زیرا ساختار موضعی شیشه ها (و از اینرو تعداد محدودیت ها) به عنوان تابعی از ترکیب تغییر می کند. برای مثال، شیشه های CAS تعداد زیادی از پیچیدگی های ساختاری را نشان میدهد، مثلا اتم های آلومینیوم اورکوئوردینه شده، واحدهای اکسیژن سه گانه، اجزای اکسیژن آزاد، محیط های مختلف کلسیم و ... . همه این ویژگی‌ها بر شمارش محدودیت‌ها تأثیر می‌گذارند و از این رو، باید در مدل‌های توپولوژیکی قوی در نظر گرفته شوند. اگرچه چنین اطلاعاتی می‌تواند توسط شبیه‌سازی دینامیک مولکولی (MD) یک ترکیب در یک زمان قابل دسترسی باشد، انجام شبیه‌سازی‌های MD در حوزه‌های ترکیبی بزرگ با توجه به هزینه محاسباتی بالای آنها عملی نیست.
به علاوه مدل های گسسته (به عنوان مثال تکیه بر تعداد محدود و گسسته شبیه سازی های MD) قابل تمایز نیستند، یعنی امکان محاسبه مشتق تعداد محدودیت های هر اتم را با توجه به ترکیب نمی دهند. این امر از از استفاده از روش های بهینه سازی <<طراحی معکوس>> مبتنی بر گرادیان (به عنوان مثال تعیین دقیق شیشه هایی با حداقل، حداکثر یا استحکام متناسب) جلوگیری می کند.
در اینجا برای پرداختن به این چالش ها یک مدل کاملا تحلیلی را ارائه میکنیم که توپولوژی شبکه شیشه های (CAS)۱-x-y (CaO)x(Al۲O۳)y(SiO۲) را در کل دامنه سه گانه توصیف می کند. این مدل توسط برخی شبیه سازی های کلاسیک MD گزارش و تایید می شوند اما مهم تر از همه مسیری برای پیش بینی مداوم خواص شیشه های CAS به عنوان تابعی از ترکیبات آن ها بدون نیاز به هرگونه شبیه سازی سیستماتیک MD ارائه می دهد.
منبع:
https://ceramics.org/ceramic-tech-today/acers-news/introduction-to-glass-topology-and-artificial-intelligence-for-glass-then-and-now
ترجمه: حسین شهوری، دانشگاه صنعتی شریف