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Accelerated Organic Crystal Structure Prediction with Genetic Algorithms and Machine Learning

管道(软件) 晶体结构预测 计算机科学 算法 人工智能 机器学习 从头算 人口 遗传算法 Crystal(编程语言) 晶体结构 化学 结晶学 人口学 社会学 有机化学 程序设计语言
作者
Amit Kadan,Kevin Ryczko,Andrew Wildman,Rodrigo Wang,Adrián Roitberg,Takeshi Yamazaki
出处
期刊:Journal of Chemical Theory and Computation [American Chemical Society]
卷期号:19 (24): 9388-9402 被引量:2
标识
DOI:10.1021/acs.jctc.3c00853
摘要

We present a high-throughput, end-to-end pipeline for organic crystal structure prediction (CSP)─the problem of identifying the stable crystal structures that will form from a given molecule based only on its molecular composition. Our tool uses neural network potentials to allow for efficient screening and structural relaxation of generated crystal candidates. Our pipeline consists of two distinct stages: random search, whereby crystal candidates are randomly generated and screened, and optimization, where a genetic algorithm (GA) optimizes this screened population. We assess the performance of each stage of our pipeline on 21 molecules taken from the Cambridge Crystallographic Data Centre’s CSP blind tests. We show that random search alone yields matches for ≈50% of targets. We then validate the potential of our full pipeline, making use of the GA to optimize the root-mean-square deviation between crystal candidates and the experimentally derived structure. With this approach, we are able to find matches for ≈80% of candidates with 10–100 times smaller initial population sizes than when using random search. Lastly, we run our full pipeline with an ANI model that is trained on a small data set of molecules extracted from crystal structures in the Cambridge Structural Database, generating ≈60% of targets. By leveraging machine learning models trained to predict energies at the density functional theory level, our pipeline has the potential to approach the accuracy of ab initio methods and the efficiency of empirical force fields.

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