Automatic Prediction of Peak Optical Absorption Wavelengths in Molecules Using Convolutional Neural Networks

波长 计算机科学 卷积神经网络 吸收(声学) 人工智能 模式识别(心理学) 物理 光电子学 光学
作者
Son Gyo Jung,Guwon Jung,Jacqueline M. Cole
出处
期刊:Journal of Chemical Information and Modeling [American Chemical Society]
卷期号:64 (5): 1486-1501 被引量:16
标识
DOI:10.1021/acs.jcim.3c01792
摘要

Molecular design depends heavily on optical properties for applications such as solar cells and polymer-based batteries. Accurate prediction of these properties is essential, and multiple predictive methods exist, from ab initio to data-driven techniques. Although theoretical methods, such as time-dependent density functional theory (TD-DFT) calculations, have well-established physical relevance and are among the most popular methods in computational physics and chemistry, they exhibit errors that are inherent in their approximate nature. These high-throughput electronic structure calculations also incur a substantial computational cost. With the emergence of big-data initiatives, cost-effective, data-driven methods have gained traction, although their usability is highly contingent on the degree of data quality and sparsity. In this study, we present a workflow that employs deep residual convolutional neural networks (DR-CNN) and gradient boosting feature selection to predict peak optical absorption wavelengths (λmax) exclusively from SMILES representations of dye molecules and solvents; one would normally measure λmax using UV–vis absorption spectroscopy. We use a multifidelity modeling approach, integrating 34,893 DFT calculations and 26,395 experimentally derived λmax data, to deliver more accurate predictions via a Bayesian-optimized gradient boosting machine. Our approach is benchmarked against the state of the art that is reported in the scientific literature; results demonstrate that learnt representations via a DR-CNN workflow that is integrated with other machine learning methods can accelerate the design of molecules for specific optical characteristics.
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