Ученые и инженеры исследуют взаимодействия атомов на поверхности материалов, чтобы создавать более энергоэффективные батареи, конденсаторы и другие устройства.

Но точное моделирование этих процессов требует огромных вычислительных мощностей — современные методы лишь слегка затрагивают проблему.

Сейчас это слишком сложно, ни один суперкомпьютер в мире не справится с таким анализом, — говорит Сиддхарт Дешпанде, доцент кафедры химической инженерии в Университете Рочестера. — Нужны умные способы обработки данных, понимание ключевых взаимодействий и методы, которые сократят объем расчетов.

Его команда обнаружила, что можно получить точную картину химических процессов, анализируя всего 2% уникальных конфигураций атомов на поверхности. Они разработали алгоритм, который ускоряет расчеты в десятки раз.

Результаты опубликованы в издании Chemical Science.

С помощью этого метода ученые впервые детально изучили дефекты на металлической поверхности и их влияние на реакцию окисления угарного газа. Это важно для понимания потерь энергии в топливных элементах. Алгоритм значительно ускоряет метод функционала плотности — основной инструмент моделирования материалов последние 30 лет.

Метод функционала плотности (DFT) — способ расчета свойств материалов на уровне атомов. Вместо того чтобы отслеживать каждый электрон (что невозможно для больших систем), он использует распределение электронной плотности, что сильно экономит вычислительные ресурсы.

Теперь мы можем применять машинное обучение и ИИ для еще более сложных задач, — говорит Дешпанде. — Например, изучать процессы на границе электродов и электролитов в батареях или взаимодействие растворителей с катализаторами.

Этот алгоритм может серьезно ускорить разработку новых материалов. Например:

• Батареи — точнее предсказывать деградацию электродов.
• Катализаторы — находить более эффективные составы для химической промышленности.
• Топливные элементы — снижать энергопотери.

Сейчас на подобные расчеты уходят месяцы, а метод Дешпанде сокращает время до дней.

Алгоритм работает только для поверхностных взаимодействий — для объемных материалов потребуются доработки. Также пока неясно, как он поведет себя с очень сложными системами, например, сплавами с десятками компонентов.

Ранее ученые разработали конденсаторы для работы при 200 градусах.