光誘導(dǎo)過程在諸如太陽能收集之類的轉(zhuǎn)化技術(shù)以及光醫(yī)學(xué)和光響應(yīng)材料中至關(guān)重要。光誘導(dǎo)過程動(dòng)力學(xué)的理論研究需要大量的電子結(jié)構(gòu)計(jì)算，這在計(jì)算上是昂貴的。格羅寧根大學(xué)的科學(xué)家開發(fā)了基于機(jī)器學(xué)習(xí)的算法，該算法大大減少了這些計(jì)算。他們開發(fā)的開源軟件包PySurf于11月24日發(fā)表在《化學(xué)理論與計(jì)算雜志》上。

分子暴露在光線下如何表現(xiàn)?對(duì)這一過程的了解不僅是自然界中至關(guān)重要的過程(例如光合作用和維生素D產(chǎn)生)的核心，而且對(duì)于合理設(shè)計(jì)具有特定光響應(yīng)特性的新分子也至關(guān)重要。

機(jī)器學(xué)習(xí)

該論文的主要作者，理論化學(xué)副教授Shirin Faraji解釋說，盡管在硬件和計(jì)算方法方面取得了長(zhǎng)足進(jìn)步，但光與分子之間相互作用的計(jì)算仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)。“對(duì)于中型分子，高級(jí)電子結(jié)構(gòu)計(jì)算已經(jīng)非常昂貴，典型的生色團(tuán)具有約30個(gè)重原子。” 實(shí)際上在量子力學(xué)水平上包括環(huán)境對(duì)這種系統(tǒng)的影響是不可能的。

“目前的軟件會(huì)搜索整個(gè)構(gòu)象空間，但是我們使用機(jī)器學(xué)習(xí)來排除此構(gòu)象空間搜索的一部分，這使其成為非常聰明的搜索，” Faraji解釋說。“因此，我們的軟件比現(xiàn)有的直接動(dòng)力學(xué)軟件所需的計(jì)算時(shí)間少幾個(gè)數(shù)量級(jí)。” 在論文中，開發(fā)人員報(bào)告了兩個(gè)基準(zhǔn)分子SO 2和吡嗪的光動(dòng)力學(xué)，并表明它們的結(jié)果與使用完全基于量子動(dòng)力學(xué)的模擬獲得的結(jié)果可比。

量子化學(xué)

此外，該軟件包是從頭開始開發(fā)的，并且易于適應(yīng)特定目的，例如通過使用插件和工作流引擎。Faraji評(píng)論說：“博士生可以輕松地深入研究代碼并開發(fā)特定的算法，例如，一種新的基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的算法。”

Faraji為多個(gè)軟件包提供了代碼，其中最著名的是Q-Chem，它是全球領(lǐng)先的量子化學(xué)軟件程序之一，目前是Q-Chem董事會(huì)成員。新的PySurf軟件包將與Q-Chem以及其他電子結(jié)構(gòu)軟件對(duì)接。PySurf是開源的，這意味著它可以與手冊(cè)一起免費(fèi)下載，F(xiàn)araji的團(tuán)隊(duì)將為用戶提供支持。

初版

PySurf軟件是由荷蘭研究委員會(huì)(NWO)Vidi計(jì)劃個(gè)人資助Faraji資助的一個(gè)項(xiàng)目的結(jié)果。Faraji總結(jié)說：“我們僅用了一年半的時(shí)間就完成了這個(gè)為期五年的項(xiàng)目。因此，當(dāng)前版本只是第一個(gè)發(fā)行版。我們將繼續(xù)對(duì)該程序進(jìn)行優(yōu)化，以創(chuàng)建一個(gè)用戶友好的界面。”