CALYPSO-SaaS｜使用机器学习将晶体结构预测速度提升数十倍

晶体结构决定物质的性质，而以理论为先导，凭借任意化学配比预测到性质优秀的晶体结构，并结合实验进行材料合成，大大推动了凝聚态领域的发展，所以晶体结构预测是凝聚态物质研究的一项重要工具。

理论晶体结构预测的目标是确定伯恩奥本海默势能面的最低能态，而势能面具有高维度和多能谷复杂特性，由于没有解析形式，无法解析求解，这给理论结构预测带来了困难。

长期以来，晶体结构预测一直是物理学和材料科学中的一个具有挑战性的问题。需要可靠的能量计算引擎与高效的全局搜索算法相结合，如粒子群优化算法和遗传算法，来进行晶体结构预测。近年来，基于机器学习的原子间势能模型被提出，让我们能够以密度泛函理论（DFT）的高精度和经验力场的高效率进行晶体结构预测。

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CALYPSO@Notebook: 动手进行结构搜索

🔗 Notebook 链接

在本期 Notebook 中，我们使用 CALYPSO-SaaS 进行结构预测，采用已经发表的 MgAlCu 三元合金的深度势能模型[1] 结合结构搜索软件CALYPSO[2]来预测铝镁系统的金属间化合物，来复现文章[3]  中的Mg8Al16 稳定相的结构。文章中的 Fd-3m 的Mg8Al16 结构与我们在 Notebook 中使用 MgAlCu 深度势能模型搜出的 Fd-3m 的Mg8Al16  结构，可以看出是一样的：

环境准备

!pip install -q ase click dpdata dpdispatcher kaleido matplotlib numpy oss2 pandas \
    plotly pymatgen scipy Ipython

!pip install -q spglib==2.0.2

# The currently latest verion of spglib==2.1.0 will print some unnecessary warning

1. 任务的提交与查看

1.1 准备输入文件

我们已经在CALYPSO-SaaS-example仓库为大家准备好了快速上手的案例，大家可以直接使用git命令来下载。

注意：该临时文件将在本案例末执行删除操作。为了方便后续的可视化，我们首先需要将例子移动到/data目录下

cd /data

! test ! -e CALYPSO-SaaS-example && git clone https://gitee.com/rainvibe/CALYPSO-SaaS-example.git || echo "文件夹已存在"

准备输入问卷的完整过程请点击 Notebook 查看

1.2 提交结构预测任务

import os
get_ipython().system = os.system
!nohup run_calypso --dft dp > out 2>&1 &

1.3 查看任务状态

我们在镜像中提供了命令查看任务showjob，可直接在命令行运行即可，或者可以实时的查看任务的日志文件。

! showjob

! tail -n 5 out

2. 任务的结果分析

待任务结束后，我们在镜像中准备了更新的结构预测结果分析脚本cak3.py，目前该脚本除基础功能外，还支持对结构预测演化的进程可视化分析，以及对变组分结构预测的convexhull进行可视化分析。

2.1 普通分析

cd /data/CALYPSO-SaaS-example/example/MgAl_example/run/results

!cak.py --vasp -a -m "0.1 0.3 0.5" --temps "300 500" 
# --vasp 选择输出 vasp 格式，-a输出所有结构，-m多组对称性容忍度, -temps 输出不同温度下的Gibbs

cat ./Analysis_Output.dat 
# 里面存放了寻找到的能量最低的结构的相关信息

2.2 结构预测演化进程可视化

!cak.py --plotevo

# 查看convexhull.png
import matplotlib.image as pim
import matplotlib.pyplot as plt

img = pim.imread('evo.png')
fig, axes = plt.subplots(1, 1, dpi=300)
axes.imshow(img,)
axes.axis('off')

#可以通过ase初步观察一下，也可以拖出来用可视化软件如VESTA等查看
from ase.io import read
from ase.visualize import view

atoms = read("./dir_0.1/UCell_1_139.vasp")  #读入结构信息，转为atoms object
view(atoms, viewer='x3d')

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关于 CALYPSO-SaaS

CALYPSO（http://www.calypso.cn）是由吉林大学马琰铭教授团队自主研发的一款材料结构预测方法和软件，现已集成于 Bohrium® 科学计算云平台，发布 CALYPSO 软件 SaaS 版，目前免费向用户开放。

                                CALYPSO-SaaS版本界面

CALYPSO-SaaS 通过灵活调度海量云计算资源，最大程度地提升了结构预测模拟并行扩展度，可助力科研人员将完成结构预测的研究周期从过往的数月或数周缩短到几天。欢迎私信我加入「CALYPSO & Bohrium 交流群」。

致谢本期 Notebook 来自吉林大学 CALYPSO 开发团队的王振雨、罗啸山，感谢两位作者的热情创作与分享。