Desenvolvimento de algoritmos genéticos acoplados à técnicas de machine learning para otimização de geometrias de clusters atômicos e/ou moleculares com ênfase em metodologias ab initio

Detalhes bibliográficos
Ano de defesa: 2024
Autor(a) principal: Umar Lucio Esper Mucelli Rezende
Orientador(a): Não Informado pela instituição
Banca de defesa: Não Informado pela instituição
Tipo de documento: Tese
Tipo de acesso: Acesso aberto
Idioma: por
Instituição de defesa: Universidade Federal de Minas Gerais
Programa de Pós-Graduação: Não Informado pela instituição
Departamento: Não Informado pela instituição
País: Não Informado pela instituição
Palavras-chave em Português:
Link de acesso: https://hdl.handle.net/1843/72178
Resumo: Clusters are small aggregates of particles that can exhibit vastly different properties depending on their size, composition, and other characteristics ranging from resembling individual atoms or molecules to properties observed in the bulk limit of the material. Due to this differentiation in properties, clusters can be considered as a new class of materials, attracting significant interest within the scientific field. To study clusters, it is crucial to find or determine the geometry, or conformation, that they would assume in nature under the conditions they are being studied. To determine the geometry of these clusters, genetic algorithms have been implemented and developed over the past decades, proving to be essential tools, although still far from perfect in solving this type of problem. In this work, a new genetic algorithm, the NQGA (New Quantum Genetic Algorithm), along with a set of new genetic operators, is proposed to be a more efficient tool in locating the global minimum of potential energy surface for atomic and molecular clusters. The doppelgänger predator (DGP) and Machine Learning Prediction (MLP) operators stand out as the main contributors to drastically reduce the number of samples required from the quantum energy surface, enabling more efficient structure optimizations. The NQGA is capable of performing structure optimization using classical energy calculations (parametrized interatomic potentials) or directly through ab initio methods, by being coupled with the well developed quantum packages GAMESS-US and ORCA. The NQGAmethodology was validated for the classical method using clusters of copper, gold, and copper-gold and gold-silver nanoalloys for different cases, and in all cases, it yielded coherent results with those found in the literature. Small clusters of lithium were studied using the CCSD(T) methodology to test the NQGA’s ability to operate in high-level ab initio methods. The NQGA demonstrated great capability to find the geometry of minimum energy of molecular clusters, as in the case of the (H2O)11 cluster, and achieved improved results for the global minimum of the Mg6H4 cluster.
id UFMG_a37568a8a248181ffec0c6d2d254904d
oai_identifier_str oai:repositorio.ufmg.br:1843/72178
network_acronym_str UFMG
network_name_str Repositório Institucional da UFMG
repository_id_str
spelling 2024-07-31T14:55:09Z2025-09-08T23:11:59Z2024-07-31T14:55:09Z2024-06-03https://hdl.handle.net/1843/72178Clusters are small aggregates of particles that can exhibit vastly different properties depending on their size, composition, and other characteristics ranging from resembling individual atoms or molecules to properties observed in the bulk limit of the material. Due to this differentiation in properties, clusters can be considered as a new class of materials, attracting significant interest within the scientific field. To study clusters, it is crucial to find or determine the geometry, or conformation, that they would assume in nature under the conditions they are being studied. To determine the geometry of these clusters, genetic algorithms have been implemented and developed over the past decades, proving to be essential tools, although still far from perfect in solving this type of problem. In this work, a new genetic algorithm, the NQGA (New Quantum Genetic Algorithm), along with a set of new genetic operators, is proposed to be a more efficient tool in locating the global minimum of potential energy surface for atomic and molecular clusters. The doppelgänger predator (DGP) and Machine Learning Prediction (MLP) operators stand out as the main contributors to drastically reduce the number of samples required from the quantum energy surface, enabling more efficient structure optimizations. The NQGA is capable of performing structure optimization using classical energy calculations (parametrized interatomic potentials) or directly through ab initio methods, by being coupled with the well developed quantum packages GAMESS-US and ORCA. The NQGAmethodology was validated for the classical method using clusters of copper, gold, and copper-gold and gold-silver nanoalloys for different cases, and in all cases, it yielded coherent results with those found in the literature. Small clusters of lithium were studied using the CCSD(T) methodology to test the NQGA’s ability to operate in high-level ab initio methods. The NQGA demonstrated great capability to find the geometry of minimum energy of molecular clusters, as in the case of the (H2O)11 cluster, and achieved improved results for the global minimum of the Mg6H4 cluster.CAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível SuperiorporUniversidade Federal de Minas Geraishttp://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/pt/info:eu-repo/semantics/openAccessClustersAb initioAlgoritmo genéticoOperadores genéticosOtimizaçãoMachine learningFísico-químicaAlgoritmos genéticosFuncionais de densidadeAprendizado do computadorRedes neurais (Computação)Química quânticaDesenvolvimento de algoritmos genéticos acoplados à técnicas de machine learning para otimização de geometrias de clusters atômicos e/ou moleculares com ênfase em metodologias ab initioinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/doctoralThesisUmar Lucio Esper Mucelli Rezendereponame:Repositório Institucional da UFMGinstname:Universidade Federal de Minas Gerais (UFMG)instacron:UFMGhttp://lattes.cnpq.br/2734535791497011Jadson Cláudio Belchiorhttp://lattes.cnpq.br/1418058352934773Frederico Vasconcellos PrudenteMaicon Pierre LourençoWillian Ricardo RochaGuilherme Ferreira de LimaClusters são agregados de partículas que podem abranger propriedades bem diferentes, dependendo de seu tamanho e composição, entre outras características, podendo se assemelhar a átomos ou moléculas individuais, até propriedades observadas no limite do bulk do material. Devido a essa diferenciação de propriedades, clusters podem ser considerados como uma nova classe de materiais, atraindo amplo interesse dentro das diversas áreas científicas. Para estudar os clusters, é muito importante encontrar ou determinar a forma, ou a conformação, que este assumiria na natureza, dentro das condições que ele está sendo estudado. Para determinar a forma destes clusters, algoritmos genéticos têm sido implementados e desenvolvidos ao longo das últimas décadas e se mostraram ferramentas essenciais, embora ainda longe de serem perfeitas, para resolver este tipo de problema. Neste trabalho, um novo algoritmo genético, o NQGA ("New Quantum Genetic Algorithm"), com um conjunto de novos operadores genéticos, os quais são propostos para ser uma ferramenta mais eficiente em localizar o mínimo global da superfície de energia potencial para clusters atômicos e moleculares. Destacam-se os operadores Predador de sósia (DGP) e o Predição por Machine Learning (MLP) como os principais responsáveis por reduzir drasticamente o número de visitas à superfície de energia quântica e possibilitar otimizações de estruturas utilizando menos recursos computacionais. O NQGA é capaz de realizar otimização de estrutura utilizando cálculo de energia clássico (potenciais interatômicos parametrizados) ou diretamente por métodos ab initio, se aproveitando do acoplamento com pacote quântico GAMESS-US e ORCA. O NQGA foi validado para o método clássico utilizando clusters de cobre, ouro e nanoliga de cobre-ouro e ouro-prata para diferentes casos e em todos apresentou resultado coerente com o encontrado na literatura. Pequenos clusters de Lítio foram estudados utilizando a metodologia CCSD(T) para testar a capacidade do NQGA de ser executado em métodos ab initio de alto nível. O NQGA se mostrou capaz de encontrar a energia mínima de clusters moleculares, como no caso do cluster (H2O)11 e obteve resultados melhores para o mínimo global do cluster Mg6H4.https://orcid.org/0009-0002-1795-2326BrasilICX - DEPARTAMENTO DE QUÍMICAPrograma de Pós-Graduação em QuímicaUFMGORIGINALTese Doutorado Umar Lucio PDFA final.pdfapplication/pdf8668428https://repositorio.ufmg.br//bitstreams/215ac25e-5542-4a21-a3a0-3dac42ba27af/downloada395937226b9e339c17fba9798b8983bMD51trueAnonymousREADCC-LICENSElicense_rdfapplication/octet-stream811https://repositorio.ufmg.br//bitstreams/7de1ec73-a5a6-4df5-8752-c1619cdd8ba0/downloadcfd6801dba008cb6adbd9838b81582abMD52falseAnonymousREADLICENSElicense.txttext/plain2118https://repositorio.ufmg.br//bitstreams/c566b4cc-463a-4df8-9878-95dd2de25166/downloadcda590c95a0b51b4d15f60c9642ca272MD53falseAnonymousREAD1843/721782025-09-08 20:11:59.735http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/pt/Acesso Abertoopen.accessoai:repositorio.ufmg.br:1843/72178https://repositorio.ufmg.br/Repositório InstitucionalPUBhttps://repositorio.ufmg.br/oairepositorio@ufmg.bropendoar:2025-09-08T23:11:59Repositório Institucional da UFMG - Universidade Federal de Minas Gerais (UFMG)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
dc.title.none.fl_str_mv Desenvolvimento de algoritmos genéticos acoplados à técnicas de machine learning para otimização de geometrias de clusters atômicos e/ou moleculares com ênfase em metodologias ab initio
title Desenvolvimento de algoritmos genéticos acoplados à técnicas de machine learning para otimização de geometrias de clusters atômicos e/ou moleculares com ênfase em metodologias ab initio
spellingShingle Desenvolvimento de algoritmos genéticos acoplados à técnicas de machine learning para otimização de geometrias de clusters atômicos e/ou moleculares com ênfase em metodologias ab initio
Umar Lucio Esper Mucelli Rezende
Físico-química
Algoritmos genéticos
Funcionais de densidade
Aprendizado do computador
Redes neurais (Computação)
Química quântica
Clusters
Ab initio
Algoritmo genético
Operadores genéticos
Otimização
Machine learning
title_short Desenvolvimento de algoritmos genéticos acoplados à técnicas de machine learning para otimização de geometrias de clusters atômicos e/ou moleculares com ênfase em metodologias ab initio
title_full Desenvolvimento de algoritmos genéticos acoplados à técnicas de machine learning para otimização de geometrias de clusters atômicos e/ou moleculares com ênfase em metodologias ab initio
title_fullStr Desenvolvimento de algoritmos genéticos acoplados à técnicas de machine learning para otimização de geometrias de clusters atômicos e/ou moleculares com ênfase em metodologias ab initio
title_full_unstemmed Desenvolvimento de algoritmos genéticos acoplados à técnicas de machine learning para otimização de geometrias de clusters atômicos e/ou moleculares com ênfase em metodologias ab initio
title_sort Desenvolvimento de algoritmos genéticos acoplados à técnicas de machine learning para otimização de geometrias de clusters atômicos e/ou moleculares com ênfase em metodologias ab initio
author Umar Lucio Esper Mucelli Rezende
author_facet Umar Lucio Esper Mucelli Rezende
author_role author
dc.contributor.author.fl_str_mv Umar Lucio Esper Mucelli Rezende
dc.subject.por.fl_str_mv Físico-química
Algoritmos genéticos
Funcionais de densidade
Aprendizado do computador
Redes neurais (Computação)
Química quântica
topic Físico-química
Algoritmos genéticos
Funcionais de densidade
Aprendizado do computador
Redes neurais (Computação)
Química quântica
Clusters
Ab initio
Algoritmo genético
Operadores genéticos
Otimização
Machine learning
dc.subject.other.none.fl_str_mv Clusters
Ab initio
Algoritmo genético
Operadores genéticos
Otimização
Machine learning
description Clusters are small aggregates of particles that can exhibit vastly different properties depending on their size, composition, and other characteristics ranging from resembling individual atoms or molecules to properties observed in the bulk limit of the material. Due to this differentiation in properties, clusters can be considered as a new class of materials, attracting significant interest within the scientific field. To study clusters, it is crucial to find or determine the geometry, or conformation, that they would assume in nature under the conditions they are being studied. To determine the geometry of these clusters, genetic algorithms have been implemented and developed over the past decades, proving to be essential tools, although still far from perfect in solving this type of problem. In this work, a new genetic algorithm, the NQGA (New Quantum Genetic Algorithm), along with a set of new genetic operators, is proposed to be a more efficient tool in locating the global minimum of potential energy surface for atomic and molecular clusters. The doppelgänger predator (DGP) and Machine Learning Prediction (MLP) operators stand out as the main contributors to drastically reduce the number of samples required from the quantum energy surface, enabling more efficient structure optimizations. The NQGA is capable of performing structure optimization using classical energy calculations (parametrized interatomic potentials) or directly through ab initio methods, by being coupled with the well developed quantum packages GAMESS-US and ORCA. The NQGAmethodology was validated for the classical method using clusters of copper, gold, and copper-gold and gold-silver nanoalloys for different cases, and in all cases, it yielded coherent results with those found in the literature. Small clusters of lithium were studied using the CCSD(T) methodology to test the NQGA’s ability to operate in high-level ab initio methods. The NQGA demonstrated great capability to find the geometry of minimum energy of molecular clusters, as in the case of the (H2O)11 cluster, and achieved improved results for the global minimum of the Mg6H4 cluster.
publishDate 2024
dc.date.accessioned.fl_str_mv 2024-07-31T14:55:09Z
2025-09-08T23:11:59Z
dc.date.available.fl_str_mv 2024-07-31T14:55:09Z
dc.date.issued.fl_str_mv 2024-06-03
dc.type.status.fl_str_mv info:eu-repo/semantics/publishedVersion
dc.type.driver.fl_str_mv info:eu-repo/semantics/doctoralThesis
format doctoralThesis
status_str publishedVersion
dc.identifier.uri.fl_str_mv https://hdl.handle.net/1843/72178
url https://hdl.handle.net/1843/72178
dc.language.iso.fl_str_mv por
language por
dc.rights.driver.fl_str_mv http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/pt/
info:eu-repo/semantics/openAccess
rights_invalid_str_mv http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/pt/
eu_rights_str_mv openAccess
dc.publisher.none.fl_str_mv Universidade Federal de Minas Gerais
publisher.none.fl_str_mv Universidade Federal de Minas Gerais
dc.source.none.fl_str_mv reponame:Repositório Institucional da UFMG
instname:Universidade Federal de Minas Gerais (UFMG)
instacron:UFMG
instname_str Universidade Federal de Minas Gerais (UFMG)
instacron_str UFMG
institution UFMG
reponame_str Repositório Institucional da UFMG
collection Repositório Institucional da UFMG
bitstream.url.fl_str_mv https://repositorio.ufmg.br//bitstreams/215ac25e-5542-4a21-a3a0-3dac42ba27af/download
https://repositorio.ufmg.br//bitstreams/7de1ec73-a5a6-4df5-8752-c1619cdd8ba0/download
https://repositorio.ufmg.br//bitstreams/c566b4cc-463a-4df8-9878-95dd2de25166/download
bitstream.checksum.fl_str_mv a395937226b9e339c17fba9798b8983b
cfd6801dba008cb6adbd9838b81582ab
cda590c95a0b51b4d15f60c9642ca272
bitstream.checksumAlgorithm.fl_str_mv MD5
MD5
MD5
repository.name.fl_str_mv Repositório Institucional da UFMG - Universidade Federal de Minas Gerais (UFMG)
repository.mail.fl_str_mv repositorio@ufmg.br
_version_ 1862105723636285440