EOSnet: Embedded Overlap Structures for Graph Neural Networks in Predicting Material Properties

计算机科学 嵌入 人工神经网络 高斯分布 图形 代表(政治) 节点(物理) 人工智能 理论计算机科学 机器学习 工程类 物理 结构工程 政治 量子力学 法学 政治学
作者
Shuo Tao,Li Zhu
出处
期刊:Journal of Physical Chemistry Letters [American Chemical Society]
卷期号:16 (3): 717-724
标识
DOI:10.1021/acs.jpclett.4c03179
摘要

Graph Neural Networks (GNNs) have emerged as powerful tools for predicting material properties, yet they often struggle to capture many-body interactions and require extensive manual feature engineering. Here, we present EOSnet (Embedded Overlap Structures for Graph Neural Networks), a novel approach that addresses these limitations by incorporating Gaussian Overlap Matrix (GOM) fingerprints as node features within the GNN architecture. Unlike models that rely on explicit angular terms or human-engineered features, EOSnet efficiently encodes many-body interactions through orbital overlap matrices, providing a rotationally invariant and transferable representation of atomic environments. The model demonstrates superior performance across various prediction tasks of materials' properties, achieving particularly notable results in properties sensitive to many-body interactions. For band gap prediction, EOSnet achieves a mean absolute error of 0.163 eV, surpassing previous state-of-the-art models. The model also excels in predicting mechanical properties and classifying materials, with 97.7% accuracy in metal/nonmetal classification. These results demonstrate that embedding GOM fingerprints into node features enhances the ability of GNNs to capture complex atomic interactions, making EOSnet a powerful tool for materials' discovery and property prediction.

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