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Enregistrement W4220817392 · doi:10.5194/egusphere-egu22-1954

Predicting Heterogeneous Ice Nucleation via Short-time Molecular Dynamics Simulations and Machine Learning Approaches

2022· preprint· en· W4220817392 sur OpenAlexaff
Abhishek Soni

Notice bibliographique

Revuenon disponible
Typepreprint
Langueen
DomaineEarth and Planetary Sciences
ThématiqueAtmospheric chemistry and aerosols
Établissements canadiensUniversity of British Columbia
Organismes subventionnairesnon disponible
Mots-clésNucleationIce nucleusMolecular dynamicsSupercoolingChemical physicsParticle (ecology)ChemistryHomogeneousMaterials sciencePhysicsStatistical physicsThermodynamicsComputational chemistryBiologyEcology

Résumé

récupéré en direct d'OpenAlex

Heterogeneous ice nucleation (HIN) has various applications in the fields of atmospheric science, food preservation, and nanotechnology. Pure water can be supercooled to ∼−38 °C, and homogeneous ice nucleation at temperatures warmer than ∼−20 °C has essentially zero probability, even on the time scale of the universe. Thus, much of the freezing that occurs on the Earth’s surface or in the atmosphere occurs via a heterogeneous mechanism involving an ice nucleating particle (INP). These INPs can be mineral dust, soots, pollen, or bacteria. Generally, ice nucleation experiments identify substrates that act as efficient ice nuclei but lack sufficient spatial (nm) and/or temporal (ns) resolution to address basic mechanistic questions. Recently, molecular dynamics (MD) simulations of model systems have attempted to reveal the basic mechanism of ice nucleation and the fundamental molecular features of various good INPs. However, the large amount of computational cost required to cross the nucleation barrier and observe HIN in simulations is a current concern. Here, we employ information obtained from short MD simulations of water in contact with surfaces to predict the likelihood that particular surfaces would nucleate ice, or not, in sufficiently long simulations, or possibly in experiments. For prediction, we incorporated several supervised and unsupervised machine learning (ML) models. We considered various atomistic substrates with some surfaces differing from others, only in terms of lattice parameters, surface morphology, or surface charges. Various water features near the surface are extracted from MD simulations over a time interval where ice nucleation has not initiated. We find that the interplay of surface properties and local liquid water properties determines good/bad INPs, with the liquid water properties being dominant. The accuracy of our best ML classification model is 0.89 ± 0.05. Some of the important descriptors are interfacial icelike structures, hydrogen bonding to the surface, water density and water polarization near the surface, and the two-dimensional lattice match to ice. Taken altogether, we expect that this work will be a useful contribution in the field of HIN research and serve as a guide in the design of substrates that can promote or discourage ice nucleation.

Récupéré en direct depuis OpenAlex et désinversé. Les résumés ne sont pas conservés dans cette base de données : les index inversés représentent 8,6 Go des 9,3 Go de texte de la base, et le serveur dispose de 13 Go libres.

Comment cette classification a été obtenuedéplier

Prédiction machine sur la base complète

Imitation des enseignants

Ni prévalence calibrée, ni vérité terrain. Validation humaine à venir. Le volet Gemma est une étiquette directe du modèle pour chaque travail de la base, lue sur la notice réduite au titre. Le volet Codex est un classifieur appris des 10 348 étiquettes directes de Codex et calibré sur les taux pondérés de l'échantillon; les champs sans appui suffisant ne portent aucun appel Codex. Le mode candidate est l'union des deux volets; le consensus est leur intersection. Ces sorties portent le statut machine_predicted_unvalidated et ne sont pas des étiquettes humaines.

score de la tête « metaresearch » (Codex)0,001
score de la tête « metaresearch » (Gemma)0,003
Version: metacan-v3-hybrid-931329e0061cStatut de validation: machine_predicted_unvalidated
Catégories candidatesaucune
Catégories consensuellesaucune
DomaineSignal candidat: aucune · Signal consensuel: aucune
Devis d'étudeSignal candidat: Simulation ou modélisation · Signal consensuel: Simulation ou modélisation
GenreSignal candidat: Empirique · Signal consensuel: Empirique
Score de désaccord entre enseignants0,017
Score d'incertitude au seuil0,033

Scores du classifieur distillé par catégorie (deux têtes)

CatégorieCodexGemma
Métarecherche0,0010,003
Méta-épidémiologie (sens strict)0,0010,001
Méta-épidémiologie (sens large)0,0010,001
Bibliométrie0,0010,001
Études des sciences et des technologies0,0010,001
Communication savante0,0010,001
Science ouverte0,0010,000
Intégrité de la recherche0,0010,001
Charge utile insuffisante (le modèle a refusé de juger)0,0010,000

Scores machine (provisoires)

Les deux têtes enseignantes du modèle étudiant, lues sur ce travail. Un score ordonne la base pour la relecture; il n'affirme jamais une catégorie, et le statut de validation accompagne chaque rangée tel quel.

Scores de référence d'un modèle non mature (critères de maturité non atteints, 7 itérations). Un score ordonne; il n'affirme jamais une catégorie.

Tête enseignante Opus0,021
Tête enseignante GPT0,206
Écart entre enseignants0,185 · la distance entre les deux têtes enseignantes sur ce seul travail
Statut de validationscore_only:v0-immature-baseline · tel quel depuis la passe de notation : score_only signifie que le nombre peut ordonner les travaux, et qu'aucune étiquette de catégorie n'en découle

Classification

machine, non validée

Prédiction automatique; un appel candidat d’une seule source (Gemma direct ou Codex distillé), pas un consensus.

Les modèles n’ont appliqué aucune catégorie : rien dans la taxonomie ne correspondait à ce travail.
Devis d'étudeSimulation ou modélisation
Domainenon disponible
GenreEmpirique

Le détail, modèle par modèle et score par score, se trouve en fin de page sous « Comment cette classification a été obtenue ».

En bref

Citations1
Publié2022
Routes d'admission1
Résumé présentoui

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