北理工物理學(xué)院在解決模型預(yù)測(cè)的不確定性問題上取得重要進(jìn)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(jì)與應(yīng)用實(shí)驗(yàn)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(jì)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(cè)的不確定性問題的方法,。該結(jié)果發(fā)表在2月22號(hào)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(duì)目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行預(yù)測(cè)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(bào),、材料科學(xué)、化工,、生物科技等等,。目標(biāo)函數(shù)經(jīng)常依賴于一個(gè)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(dá)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(duì)復(fù)雜問題具有預(yù)測(cè)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(shí)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(gè)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(dòng)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(cè)的準(zhǔn)確度,。他們通過第一性原理計(jì)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(dòng)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(gè)最終對(duì)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(shí)驗(yàn)或計(jì)算方法來改善這些少數(shù)關(guān)鍵參數(shù)的準(zhǔn)確度,，從而提高材料設(shè)計(jì)的可靠性和效率,。在這個(gè)具體的例子中，他們還揭示了模型計(jì)算比實(shí)驗(yàn)測(cè)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(shí)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(yàn)?zāi)Ｐ皖A(yù)測(cè)的可靠性和敏感性,，并通過與多尺度計(jì)算方法相結(jié)合來提高模型的預(yù)測(cè)能力，為跨越材料研究中實(shí)驗(yàn)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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