含能晶体密度预测的研究进展 文章编号:1006-9941(2020)01-0001-12 含能晶体密度预测的研究进展 王丽莉12,熊鹰2,谢炜宇2,牛亮亮2,张朝阳 (1.中国工程物理研究院计算机应用研究所,四川绵阳621999;2.中国工程物理研究院化工材料研究所,四川绵阳621999) 摘要:密度是决定含能材料爆轰性能的重要参数。为评估现有CHON类含能材料密度的计算方法,对等电子密度面法、分子表 面静电势法、基团加和法、晶体堆积法、定量构效关系法、经验公式法等进行分析和归类。结果表明,基于分子体积预测方法的精度 取决于分子间和分子内相互作用对密度影响描述的准确度。其中,准确描述氢键和 van der waals作用充满了挑战性。基于晶体体 积计算密度的核心在于晶体结构的准确预测,结构搜索要面对巨大的状态空间和高度复杂的能量曲面的困难,预测效率是亟待解决 的问题。体积加和法和经验公式法存在无法区分同分异构体和晶型的缺点,且对新发现的具有特殊结构的分子由于缺乏实验数据 难以获得准确的经验参数,计算结果偏差较大。引入人工神经网络、遗传算法以及支持向量机等机器学习算法后,定量构效关系法 在含能化合物性能与结构关系研究中取得很大成就,模型精度进一步提高将为基于材料基因组模式的含能材料设计研发奠定基础, 这也是今后密度预测方法发展的主要方向。 关键词:含能材料;密度预测方法;结构预测 中图分类号:T55;064 文献标志码:A DOl:10.11943/CEM2018269 Moller- Plesset perturbation,MP2)理论、耦合簇(Cou 1引言 pled Cluster with Singles and Doubles, CCSD)FI ie 含能材料密度的理论预测方法可分成以下三大等。二是基于晶体体积计算密度,晶体结构预测 类:一是基于分子体积计算密度,由于分子体积没有明 ( Crystal Structure Prediction,CSP)结合了能量和结构 的精确计算方法与全局结构搜索方法,其中结构与能 确的物理定义,因此存在多种计算方法,如等电子密度 量的计算方法包括密度泛函理论的色散校正( Disper 面( Isosurface of Electron Density,ED)方法通常将分 sion Correction Density Functional Theory, DFT-D) 子摩尔体积定义为0.00|a.u.电子密度等值面轮廓范 分子力场与分子动力学方法( Molecular Dynamics, 围内的体积,分子表面静电势( Molecular Surface MD),半经验分子轨道方法( emi-empirical Molecu E| ectrostatic Potentials,MESP)校正法是在密度求解 ar Orbita,MO)等;结构搜索的代表性算法有模拟退 公式中加入通过实验数据拟合的系数表征分子间相互火法( Simulated Annealin,sA)、随机结构搜索法 作用,基团加和( Group Additivity Methods, GAM)法( Ab Initio Random Structure Searching,A|RSs)、进化 是由原子和官能团体积的贡献估算分子体积等,其中算法( Evolutionary Approach,EA)和粒子群优化算法 计算电子密度的方法多数采用密度泛函理论( Density( Particle Swarm Optimization,PsO)等。三是基于数 Functional Theory,DFT)、二阶微扰( Second- order学和统计方法估算含能材料密度,如通过多元线性回 归( Multiple Linear Regressin,MLR)、人工神经网络 稿日期:2018-09-19;修回日期:2019-05-10 网络出版日期:2019-05-24 ( Artificia| Neural networks,ANN)和改进的遗传算法 基金项目:挑战计划(TZ2018004) ( Genetic Algorithm,GA)等建立快速稳定的定量构效 作者简介:王丽莉(1978-),女,副研究员,主要从事计算材料与材 X a( Quantitative Structure Property Relationship 料信息学研究。e-mail;tjhsunwind@osina.com 通信联系人:张朝阳(1971-),男,研究员,主要从事计算含能材料QSPR)模型,或根据经验公式由元素组成和官能团数 学研究。e-mail:chaoyanggang@caep.Cn 目估算晶体密度等。随着云计算的普及和大数据时代 引用本文:王丽莉,熊鷹,谢炜宇,等,含能晶体密度预测的研究进展田.含能材料,2020,28(1)1-12 WANG Li-li. XIONG Ying, XIE Wei-yu et al. Review of Crystal Density Prediction Methods for Energetic Materials[ll. Chinese Joumal of Energetic Materials CHINESE JOURNAL OF ENERGETIC MATERIALS 含能材料 2020年第28卷第1期(1-12含能材料 2020 年 第 28 卷 第 1 期 （1-12） 含 能 晶 体 密 度 预 测 的 研 究 进 展 CHINESE JOURNAL OF ENERGETIC MATERIALS 含能晶体密度预测的研究进展 王丽莉 1，2 ，熊 鹰 2 ，谢炜宇 2 ，牛亮亮 2 ，张朝阳 2 （1. 中国工程物理研究院计算机应用研究所，四川 绵阳 621999；2. 中国工程物理研究院化工材料研究所，四川 绵阳 621999） 摘 要： 密度是决定含能材料爆轰性能的重要参数。为评估现有 CHON 类含能材料密度的计算方法，对等电子密度面法、分子表 面静电势法、基团加和法、晶体堆积法、定量构效关系法、经验公式法等进行分析和归类。结果表明，基于分子体积预测方法的精度 取决于分子间和分子内相互作用对密度影响描述的准确度。其中，准确描述氢键和 van der Waals 作用充满了挑战性。基于晶体体 积计算密度的核心在于晶体结构的准确预测，结构搜索要面对巨大的状态空间和高度复杂的能量曲面的困难，预测效率是亟待解决 的问题。体积加和法和经验公式法存在无法区分同分异构体和晶型的缺点，且对新发现的具有特殊结构的分子由于缺乏实验数据 难以获得准确的经验参数，计算结果偏差较大。引入人工神经网络、遗传算法以及支持向量机等机器学习算法后，定量构效关系法 在含能化合物性能与结构关系研究中取得很大成就，模型精度进一步提高将为基于材料基因组模式的含能材料设计研发奠定基础， 这也是今后密度预测方法发展的主要方向。 关键词：含能材料；密度预测方法；结构预测 中图分类号：TJ55；O64 文献标志码：A DOI：10.11943/CJEM2018269 1 引 言 含能材料密度的理论预测方法可分成以下三大 类：一是基于分子体积计算密度，由于分子体积没有明 确的物理定义，因此存在多种计算方法，如等电子密度 面（Isosurface of Electron Density，IED）方法通常将分 子摩尔体积定义为 0.00l a.u. 电子密度等值面轮廓范 围 内 的 体 积［1］，分 子 表 面 静 电 势（Molecular Surface Electrostatic Potentials，MESP）校 正 法 是 在 密 度 求 解 公式中加入通过实验数据拟合的系数表征分子间相互 作用，基团加和（Group Additivity Methods，GAM）法 是由原子和官能团体积的贡献估算分子体积等，其中 计算电子密度的方法多数采用密度泛函理论（Density Functional Theory，DFT）、二 阶 微 扰（Second⁃order Moller⁃Plesset Perturbation，MP2）理论、耦合簇（Cou⁃ pled Cluster with Singles and Doubles，CCSD）理 论 等 。 二 是 基 于 晶 体 体 积 计 算 密 度 ，晶 体 结 构 预 测 （Crystal Structure Prediction，CSP）结合了能量和结构 的精确计算方法与全局结构搜索方法，其中结构与能 量的计算方法包括密度泛函理论的色散校正（Disper⁃ sion Correction Density Functional Theory，DFT⁃D）， 分子力场与分子动力学方法（Molecular Dynamics， MD），半经验分子轨道方法（Semi⁃empirical Molecu⁃ lar Orbital，MO）等；结构搜索的代表性算法有模拟退 火 法（Simulated Annealing，SA）、随 机 结 构 搜 索 法 （Ab Initio Random Structure Searching，AIRSS）、进化 算法（Evolutionary Approach，EA）和粒子群优化算法 （Particle Swarm Optimization，PSO）等。三是基于数 学和统计方法估算含能材料密度，如通过多元线性回 归（Multiple Linear Regressin，MLR）、人 工 神 经 网 络 （Artificial Neural Networks，ANN）和改进的遗传算法 （Genetic Algorithm，GA）等建立快速稳定的定量构效 关 系（Quantitative Structure Property Relationship， QSPR）模型，或根据经验公式由元素组成和官能团数 目估算晶体密度等。随着云计算的普及和大数据时代 文章编号：1006⁃9941（2020）01⁃0001⁃12 引用本文：王丽莉,熊鹰,谢炜宇,等 . 含能晶体密度预测的研究进展[J]. 含能材料,2020,28(1):1-12. WANG Li‑li, XIONG Ying, XIE Wei‑yu,et al. Review of Crystal Density Prediction Methods for Energetic Materials[J]. Chinese Journal of Energetic Materials （Hanneng Cailiao）,2020,28(1):1-12. 收稿日期：2018⁃09⁃19；修回日期：2019⁃05⁃10 网络出版日期：2019⁃05⁃24 基金项目：挑战计划（TZ2018004） 作者简介：王丽莉（1978-），女，副研究员，主要从事计算材料与材 料信息学研究。e⁃mail：fjhsunwind@sina.com 通信联系人：张朝阳（1971-），男，研究员，主要从事计算含能材料 学研究。e⁃mail：chaoyangzhang@caep.cn 1