Learning glass transition temperatures via dimensionality reduction with data from computer simulations: Polymers as the pilot case

玻璃化转变 混合模型 主成分分析 二面角 分子动力学 降维 高斯分布 材料科学 扩散 聚合物 热力学 生物系统 化学 计算机科学 人工智能 物理 分子 计算化学 复合材料 有机化学 氢键 生物
作者
Artyom D. Glova,Mikko Karttunen
出处
期刊:Journal of Chemical Physics [American Institute of Physics]
卷期号:161 (18) 被引量:4
标识
DOI:10.1063/5.0229161
摘要

Machine learning methods provide an advanced means for understanding inherent patterns within large and complex datasets. Here, we employ the principal component analysis (PCA) and the diffusion map (DM) techniques to evaluate the glass transition temperature (Tg) from low-dimensional representations of all-atom molecular dynamic simulations of polylactide (PLA) and poly(3-hydroxybutyrate) (PHB). Four molecular descriptors were considered: radial distribution functions (RDFs), mean square displacements (MSDs), relative square displacements (RSDs), and dihedral angles (DAs). By applying Gaussian Mixture Models (GMMs) to analyze the PCA and DM projections and by quantifying their log-likelihoods as a density-based metric, a distinct separation into two populations corresponding to melt and glass states was revealed. This separation enabled the Tg evaluation from a cooling-induced sharp increase in the overlap between log-likelihood distributions at different temperatures. Tg values derived from the RDF and MSD descriptors using DM closely matched the standard computer simulation-based dilatometric and dynamic Tg values for both PLA and PHB models. This was not the case for PCA. The DM-transformed DA and RSD data resulted in Tg values in agreement with experimental ones. Overall, the fusion of atomistic simulations and DMs complemented with the GMMs presents a promising framework for computing Tg and studying the glass transition in a unified way across various molecular descriptors for glass-forming materials.
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