北理工物理學(xué)院在解決模型預(yù)測的不確定性問題上取得重要進展
發(fā)布日期：2016-05-11 供稿：物理學(xué)院
編輯：物理學(xué)院 周格羽 閱讀次數(shù)：
最近，北理工物理學(xué)院量子功能材料設(shè)計與應(yīng)用實驗室的郭偉副研究員與美國特拉華大學(xué)催化能源創(chuàng)新中心的Vlachos教授、Sutton博士以及馬薩諸塞大學(xué)數(shù)學(xué)與統(tǒng)計系的Katsoulakis教授合作，共同發(fā)展了一套通過考慮參數(shù)的關(guān)聯(lián)效應(yīng)來解決模型預(yù)測的不確定性問題的方法。該結(jié)果發(fā)表在2月22號在線出版的Nature子刊《自然化學(xué)》上（Nature Chemistry8, 331-337,2016).
通過依賴于參數(shù)的數(shù)學(xué)模型來對目標函數(shù)進行預(yù)測和優(yōu)化，是科學(xué)或工程眾多領(lǐng)域普遍采用的一種方法，比如交通、天氣預(yù)報、材料科學(xué)、化工、生物科技等等。目標函數(shù)經(jīng)常依賴于一個參數(shù)空間，并且這種依賴關(guān)系往往沒有明確的數(shù)學(xué)表達式。目前，雖然各種模型在解釋現(xiàn)象、擬合數(shù)據(jù)等方面非常成功，但真正對復(fù)雜問題具有預(yù)測能力的模型卻受到諸多因素的困擾，比如模型中參數(shù)的選取，以及參數(shù)本身存在的誤差和不確定性。再者，在實際問題中各種參數(shù)往往是相互關(guān)聯(lián)的，研究參數(shù)的不確定性如何以及在多大程度上影響我們感興趣的量，是一個艱巨的科學(xué)任務(wù)。
郭偉副研究員與美國的合作伙伴共同努力，通過乙醇和水蒸氣在Pt/Al2O3表面的重整化產(chǎn)氫的動力學(xué)模擬，定量分析了模型中參數(shù)的不確定性和參數(shù)之間的關(guān)聯(lián)效應(yīng)如何影響模型預(yù)測的準確度。他們通過第一性原理計算，考慮了10多種目前主流的交換關(guān)聯(lián)泛函，從而確定了乙醇和乙氧基生成焓的不確定性，以及在不同交換關(guān)聯(lián)泛函下這種不確定性的關(guān)聯(lián)效應(yīng)。接著，通過動力學(xué)模擬和全局靈敏度分析，他們發(fā)現(xiàn)盡管模型中有很多的參數(shù)，但由于參數(shù)之間的關(guān)聯(lián)效應(yīng)，只有少數(shù)幾個最終對產(chǎn)氫速率產(chǎn)生決定性的影響。因此，可以通過更高精度的實驗或計算方法來改善這些少數(shù)關(guān)鍵參數(shù)的準確度，從而提高材料設(shè)計的可靠性和效率。在這個具體的例子中，他們還揭示了模型計算比實驗測定的產(chǎn)氫速率低的原因是，在(111)表面模擬得到的表觀活化能比真實值高，這就意味著比起常見的(111)低指數(shù)晶面，其它活性位和反應(yīng)路徑扮演著更重要的角色。
這些方法可用于檢驗?zāi)Ｐ皖A(yù)測的可靠性和敏感性，并通過與多尺度計算方法相結(jié)合來提高模型的預(yù)測能力，為跨越材料研究中實驗體系復(fù)雜性與理論模型簡化性之間的鴻溝邁出關(guān)鍵的一步。
附：網(wǎng)頁鏈接http://www.nature.com/nchem/journal/v8/n4/full/nchem.2454.html
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