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PhysNet: A Neural Network for Predicting Energies, Forces, Dipole Moments, and Partial Charges

偶极子 从头算 人工神经网络 计算机科学 静电学 可扩展性 统计物理学 物理 人工智能 量子力学 数据库
作者
Oliver T. Unke,Markus Meuwly
出处
期刊:Journal of Chemical Theory and Computation [American Chemical Society]
卷期号:15 (6): 3678-3693 被引量:779
标识
DOI:10.1021/acs.jctc.9b00181
摘要

In recent years, machine learning (ML) methods have become increasingly popular in computational chemistry. After being trained on appropriate ab initio reference data, these methods allow to accurately predict the properties of chemical systems, circumventing the need for explicitly solving the electronic Schr\"odinger equation. Because of their computational efficiency and scalability to large datasets, deep neural networks (DNNs) are a particularly promising ML algorithm for chemical applications. This work introduces PhysNet, a DNN architecture designed for predicting energies, forces and dipole moments of chemical systems. PhysNet achieves state-of-the-art performance on the QM9, MD17 and ISO17 benchmarks. Further, two new datasets are generated in order to probe the performance of ML models for describing chemical reactions, long-range interactions, and condensed phase systems. It is shown that explicitly including electrostatics in energy predictions is crucial for a qualitatively correct description of the asymptotic regions of a potential energy surface (PES). PhysNet models trained on a systematically constructed set of small peptide fragments (at most eight heavy atoms) are able to generalize to considerably larger proteins like deca-alanine (Ala$_{10}$): The optimized geometry of helical Ala$_{10}$ predicted by PhysNet is virtually identical to ab initio results (RMSD = 0.21 \r{A}). By running unbiased molecular dynamics (MD) simulations of Ala$_{10}$ on the PhysNet-PES in gas phase, it is found that instead of a helical structure, Ala$_{10}$ folds into a wreath-shaped configuration, which is more stable than the helical form by 0.46 kcal mol$^{-1}$ according to the reference ab initio calculations.
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