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Enregistrement W4415445396 · doi:10.38094/jastt62459

Physics-Informed Machine Learning Framework for Virtual Screening and Multi-Objective Optimization of Polymer Nanocomposites with Tailored Multifunctional Properties

2025· article· W4415445396 sur OpenAlexaff
Sandeep Gupta, Budesh Kanwer, Udit Mamodiya, Saurabh Shandilya, Deepshikha Bhatia, Nithesh Naik

Notice bibliographique

RevueJournal of Applied Science and Technology Trends · 2025
Typearticle
Langue
DomaineMaterials Science
ThématiqueMachine Learning in Materials Science
Établissements canadiensArtificial Intelligence in Medicine (Canada)
Organismes subventionnairesDepartment of Artificial Intelligence, Korea University
Mots-clésArtificial neural networkSimulated annealingNanocompositePolymerPolymer nanocompositeDeep learningOptimization problemThermal

Résumé

récupéré en direct d'OpenAlex

The rational design of polymer nanocomposites with tailored multifunctional properties remains challenging due to complex multi-scale physics and the limitations of traditional empirical approaches, which cannot adequately capture the combinatorial interactions between polymer matrices, nanofillers, and processing conditions. We present a new computational framework for cost-effective virtual screening and optimization of polymer nanocomposites with physically consistent prediction in this series. In a physics-informed neural network, we suggest a combination of the quantum mechanical response, as well as standard molecular dynamics and thermodynamic data. (1) Physics-aware loss functions that incorporate conservation policies and thermodynamic constraints; (2) multiscale descriptor integration of quantum to macroscales; (3) ensemble learning is supplemented by tools to distinguish epistemic and aleatoric uncertainty; and (4) NSGA-III assisted multi-objective optimization coupled with adaptive reference point generation. The neural network architecture consists of multi-branch pathways with 5 hidden layers (256, 512, 512, 256, 128 neurons) using Leaky ReLU activation functions, trained on 23,847 polymer nanocomposite formulations using Adam optimizer (learning rate: 0.001, batch size: 64) with cosine annealing scheduling. The framework achieves prediction accuracies of R² > 0.94 for mechanical properties, R² > 0.91 for thermal characteristics, and R² > 0.88 for electrical conductivity, representing 15-25% improvements over conventional machine learning methods. Virtual screening of 3.2 million candidate formulations identified 1,847 compositions with superior performance. Our NSGA-III optimization identifies Pareto-optimal solutions with 34% higher multifunctional performance than conventional approaches, while reducing experimental validation requirements by 82%. Experimental validation of 127 compositions confirms 89% prediction accuracy within confidence intervals (95% confidence intervals: ±8.3% for mechanical, ±9.1% for thermal, ±11.2% for electrical properties). The present physics-informed machine learning approach enables computational materials design with accounting for the most relevant physical laws and data-driven techniques to discover optimal high-performance polymer nanocomposites yet offers a robust uncertainty quantification to inform risk-conscious design decisions.

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)0,001
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: aucune
Score de désaccord entre enseignants0,003
Score d'incertitude au seuil0,008

Scores du classifieur distillé par catégorie (deux têtes)

CatégorieCodexGemma
Métarecherche0,0010,001
Méta-épidémiologie (sens strict)0,0010,000
Méta-épidémiologie (sens large)0,0010,001
Bibliométrie0,0010,000
Études des sciences et des technologies0,0000,001
Communication savante0,0010,001
Science ouverte0,0010,001
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 Opus0,012
Tête enseignante GPT0,260
Écart entre enseignants0,248 · 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
Publié2025
Routes d'admission1
Résumé présentoui

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