В Казанском федеральном университете ученые Института физики разработали программу для определения физико-механических свойств жидких и твердых многокомпонентных материалов на основе модели глубокого обучения.

Разработанная заведующим кафедры вычислительной физики и моделирования физических процессов, профессором Анатолием Мокшиным и доцентом кафедры Булатом Галимзяновым компьютерная программа представляет из себя вычислительный комплекс, состоящий из модулей. Один из них предназначен для обучения и тестирования нейронных сетей на основе большого набора эмпирических данных по физико-механическим свойствам известных расплавов и твердых веществ.

«Данные для обучения берутся из информационной платформы "Информационные технологии в физическом материаловедении" (ITPhyMS), которая содержит актуальную экспериментальную информацию о физических свойствах материалов различного состава», – рассказал профессор Анатолий Мокшин.

Во втором модуле обученные нейронные сети применяются для определения физико-механических свойств веществ интересуемого определенного состава. Здесь могут быть определены такие физические характеристики, как константы жесткости, предел прочности, температура плавления, температура аморфизации и др. При этом, как отметил ученый, пользователь вычислительной программы может самостоятельно формировать состав вещества, т.е. выбирать химические элементы, входящие в него, и задавать их концентрации.

В третьем модуле решается обратная задача – программа определяет состав вещества с необходимыми физико-механическими характеристиками, что позволяет работать не только с известными в природе соединениями, но и осуществлять компьютерный дизайн материалов, которые могут быть синтезированы в будущем для конкретных применений.

«Если говорить об отдельных химических элементах, то хорошо известно, что между их различными физико-химическими свойствами существует определенная взаимосвязь. Так, например, взаимосвязь между некоторыми свойствами учитывается и лежит в основе Периодической системы химических элементов, предложенной Дмитрием Ивановичем Менделеевым в 1869 году. Например, зарядовое число химического элемента коррелирует с массой и размером атома, а увеличение значения зарядового числа соответствует увеличению массы и радиуса атома, – отметил А. Мокшин. – Более сложной является задача, связанная с установлением такого соответствия для систем разных химических элементов, где эти самые элементы могут быть представлены в произвольных соотношениях. Такими системами являются однородные расплавы и твердые вещества, в состав которых входит два, три и более различных химических элементов».

Он также добавил, что физические свойства такой системы прежде всего будут определяться таковыми свойствами чистых компонентов, входящих в состав, а также их концентрацией. Кроме того, система может обладать и своими уникальными признаками. В этом случае соответствие между физическими характеристиками может быть крайне сложным, для того чтобы его вывести или получить его непосредственно из физических основополагающих принципов и представить в аналитическом виде, то есть в виде конкретной формулы.

«С другой стороны, данная задача может быть решена с привлечением методов машинного обучения, которые позволяют на основе научных эмпирических данных, имеющихся на сегодняшний день, устанавливать эти соответствия. Именно эта идея была реализована в оригинальном алгоритме, на основе которого была разработана компьютерная программа для определения физико-механических свойств жидких и твердых многокомпонентных материалов на основе модели глубокого обучения», – резюмировал ученый.

Разработанная компьютерная программа может найти широкое применение как в научной сфере, так и в промышленной. По словам разработчиков, изначально программа разрабатывалась для выполнения фундаментальных научных исследований, направленных на установление взаимосвязи между физико-химическими свойствами однокомпонентных (чистых) веществ и макроскопическими физико-механическими свойствами соединений, состоящих из этих веществ. Поэтому результаты программы могут найти непосредственное применение в промышленности, в которой отдельное внимание уделяется внедрению перспективных материалов с уникальными физико-химическими свойствами.

«На сегодняшний день уже имеется ряд научных результатов фундаментального характера, полученных на основе расчетов с использованием разработанной компьютерной программы, опубликованных сотрудниками кафедры вычислительной физики в таких высокорейтинговых научных журналах, как Scripta Materialia, PhysicaA, Metals, Crystals и Materials», – поделился профессор Мокшин.

Отметим, что учеными получено Свидетельство о государственной регистрации разработанной программы для ЭВМ.