Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/1843/72178
Type: Tese
Title: Desenvolvimento de algoritmos genéticos acoplados à técnicas de machine learning para otimização de geometrias de clusters atômicos e/ou moleculares com ênfase em metodologias ab initio
Authors: Umar Lucio Esper Mucelli Rezende
First Advisor: Jadson Cláudio Belchior
First Referee: Frederico Vasconcellos Prudente
Second Referee: Maicon Pierre Lourenço
Third Referee: Willian Ricardo Rocha
metadata.dc.contributor.referee4: Guilherme Ferreira de Lima
Abstract: Clusters são agregados de partículas que podem abranger propriedades bem diferentes, dependendo de seu tamanho e composição, entre outras características, podendo se assemelhar a átomos ou moléculas individuais, até propriedades observadas no limite do bulk do material. Devido a essa diferenciação de propriedades, clusters podem ser considerados como uma nova classe de materiais, atraindo amplo interesse dentro das diversas áreas científicas. Para estudar os clusters, é muito importante encontrar ou determinar a forma, ou a conformação, que este assumiria na natureza, dentro das condições que ele está sendo estudado. Para determinar a forma destes clusters, algoritmos genéticos têm sido implementados e desenvolvidos ao longo das últimas décadas e se mostraram ferramentas essenciais, embora ainda longe de serem perfeitas, para resolver este tipo de problema. Neste trabalho, um novo algoritmo genético, o NQGA ("New Quantum Genetic Algorithm"), com um conjunto de novos operadores genéticos, os quais são propostos para ser uma ferramenta mais eficiente em localizar o mínimo global da superfície de energia potencial para clusters atômicos e moleculares. Destacam-se os operadores Predador de sósia (DGP) e o Predição por Machine Learning (MLP) como os principais responsáveis por reduzir drasticamente o número de visitas à superfície de energia quântica e possibilitar otimizações de estruturas utilizando menos recursos computacionais. O NQGA é capaz de realizar otimização de estrutura utilizando cálculo de energia clássico (potenciais interatômicos parametrizados) ou diretamente por métodos ab initio, se aproveitando do acoplamento com pacote quântico GAMESS-US e ORCA. O NQGA foi validado para o método clássico utilizando clusters de cobre, ouro e nanoliga de cobre-ouro e ouro-prata para diferentes casos e em todos apresentou resultado coerente com o encontrado na literatura. Pequenos clusters de Lítio foram estudados utilizando a metodologia CCSD(T) para testar a capacidade do NQGA de ser executado em métodos ab initio de alto nível. O NQGA se mostrou capaz de encontrar a energia mínima de clusters moleculares, como no caso do cluster (H2O)11 e obteve resultados melhores para o mínimo global do cluster Mg6H4.
Abstract: Clusters are small aggregates of particles that can exhibit vastly different properties depending on their size, composition, and other characteristics ranging from resembling individual atoms or molecules to properties observed in the bulk limit of the material. Due to this differentiation in properties, clusters can be considered as a new class of materials, attracting significant interest within the scientific field. To study clusters, it is crucial to find or determine the geometry, or conformation, that they would assume in nature under the conditions they are being studied. To determine the geometry of these clusters, genetic algorithms have been implemented and developed over the past decades, proving to be essential tools, although still far from perfect in solving this type of problem. In this work, a new genetic algorithm, the NQGA (New Quantum Genetic Algorithm), along with a set of new genetic operators, is proposed to be a more efficient tool in locating the global minimum of potential energy surface for atomic and molecular clusters. The doppelgänger predator (DGP) and Machine Learning Prediction (MLP) operators stand out as the main contributors to drastically reduce the number of samples required from the quantum energy surface, enabling more efficient structure optimizations. The NQGA is capable of performing structure optimization using classical energy calculations (parametrized interatomic potentials) or directly through ab initio methods, by being coupled with the well developed quantum packages GAMESS-US and ORCA. The NQGAmethodology was validated for the classical method using clusters of copper, gold, and copper-gold and gold-silver nanoalloys for different cases, and in all cases, it yielded coherent results with those found in the literature. Small clusters of lithium were studied using the CCSD(T) methodology to test the NQGA’s ability to operate in high-level ab initio methods. The NQGA demonstrated great capability to find the geometry of minimum energy of molecular clusters, as in the case of the (H2O)11 cluster, and achieved improved results for the global minimum of the Mg6H4 cluster.
Subject: Físico-química
Algoritmos genéticos
Funcionais de densidade
Aprendizado do computador
Redes neurais (Computação)
Química quântica
language: por
metadata.dc.publisher.country: Brasil
Publisher: Universidade Federal de Minas Gerais
Publisher Initials: UFMG
metadata.dc.publisher.department: ICX - DEPARTAMENTO DE QUÍMICA
metadata.dc.publisher.program: Programa de Pós-Graduação em Química
Rights: Acesso Aberto
metadata.dc.rights.uri: http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/pt/
URI: http://hdl.handle.net/1843/72178
Issue Date: 3-Jun-2024
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