Inverse design of isotropic pair potentials using digital alchemy with a generalized Fourier potential
Inverse design of isotropic pair potentials using digital alchemy with a generalized Fourier potential
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使用具有广义傅立叶势的数字炼金术进行各向同性对势的逆设计
DOI：
10.1140/epjb/s10051-021-00250-4
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发表时间：
2021
期刊：
影响因子：
--
通讯作者：
Glotzer, Sharon C.
中科院分区：
文献类型：
--
作者：
Zhou, Pengji;Glotzer, Sharon C.
通过表面修饰合成胶体纳米粒子的进展为通过自组装创造新材料提供了巨大的可能性。随着实验的进步，计算方法通过反向优化能够自组装成目标结构的构建块，为合理的材料设计做出了贡献。在这种设计过程中，径向对称（各向同性）对势通常用于模拟相互作用的粒子。在这项工作中，我们将一种称为“数字炼金术”的反设计方法应用于广义傅里叶势（FP），以搜索广泛的各向同性对相互作用的设计空间，目标是跨越一系列复杂性的23种晶体结构。数字炼金术（DA）是一种在广义热力学框架中优化目标结构的纳米粒子属性（如相互作用强度和范围，甚至粒子形状）的方法，其中属性被视为原位波动的热力学变量。利用数据分析，我们找到了六个优化的各向同性相互作用势，通过自组装产生了六个相应的目标晶体结构。重要的是，这六种情况下，目标结构的优化电位和相应的基态结构在零温度下的电位是一致的。在这些情况下，优化的对电势是晶体结构的“最佳”电势，相反，晶体结构是对电势的“最佳”结构。对于其他情况，我们发现虽然大多数优化的各向同性对电位稳定了相应的目标结构，但当目标结构具有结构相似的多态性时，结构不会自组装。在这种情况下，我们获得了一组相似结构的几乎相同的优化势，并且其中只有一个结构——对于所获得的势来说能量最小（即“最佳”）的结构——可以成功地自组装。我们讨论并提供了这些局限性固有的见解，在使用各向同性对势逆设计。图形抽象
Advances in synthesizing colloidal nanoparticles with tailored interactions through surface modifications provide vast possibilities to create new materials through self-assembly. Alongside experimental advances, computational methods are contributing to rational materials-by-design by inversely optimizing building blocks capable of self-assembling into target structures. Radially symmetric (isotropic) pair potentials are commonly used to model interacting particles in such a design process. In this work, we apply an inverse design approach called ‘digital alchemy’ to a generalized Fourier potential (FP) to search a broad design space of isotropic pair interactions targeting 23 crystal structures spanning a range of complexities. Digital alchemy (DA) is a method for optimizing nanoparticle attributes (such as interaction strength and range, and even particle shape) for a target structure in a generalized thermodynamic framework where the attributes are treated as fluctuating thermodynamic variables in situ. Using DA, we find six optimized isotropic interaction potentials that produce six corresponding targeted crystal structures via self-assembly. Importantly, these six are those cases where the optimized potential for the target structure and the ground state structure at zero temperature for the corresponding potential coincide. In these cases, the optimized pair potential is the “best” potential for the crystal structure and the crystal structure is, conversely, the “best” structure for the pair potential. For other cases, we show that although most of the optimized isotropic pair potentials stabilize their corresponding target structures, the structures do not self-assemble when the target structure has structurally similar polymorphs. In such cases, we obtain a family of nearly identical optimized potentials for the set of similar structures, and only one of them—the structure that minimizes the energy (i.e. is “best”) for the obtained potential—can be successfully self-assembled. We discuss and provide insight into these limitations inherent in using isotropic pair potentials for inverse design.Graphic abstract
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