化學(xué)科學(xué)正在向前發(fā)展，而化學(xué)反應(yīng)也越來越復(fù)雜。但在強大技術(shù)的加持下，現(xiàn)代化學(xué)研究正在突破我們對于化學(xué)的傳統(tǒng)印象?？蒲腥藛T不用呆坐在實驗室里擺弄瓶瓶罐罐，非要把花花綠綠的試劑混合在一起才能知道它們會發(fā)生什么化學(xué)反應(yīng)、生成了什么物質(zhì)。借助強大的機器學(xué)習(xí)算法，科學(xué)家們不費一瓶一罐也能預(yù)測出化學(xué)產(chǎn)物，極大地提高了新物質(zhì)探索開發(fā)的效率。

加州理工學(xué)院的研究人員們就利用機器學(xué)習(xí)開發(fā)出了這樣一套能夠稱為化學(xué)家左膀右臂的工具，在你還沒來得及把化學(xué)試劑放進試管里之前，就能夠預(yù)測化學(xué)反應(yīng)。

研究人員利用Hartree-Fock作為輸入來預(yù)測電子結(jié)構(gòu)的相關(guān)能量。整體的相關(guān)能量通過來自占據(jù)分子軌道獨立和成對的貢獻來進行表達，基于分子軌道特性，研究人員利用高斯過程回歸來預(yù)測不同軌道特征的貢獻。通過最大化化學(xué)系統(tǒng)間的遷移能力和特征集的緊湊性，研究人員成功規(guī)避了通常使用的原子或幾何特征信息。這種方法避免的傳統(tǒng)計算方法的缺點，在保證精度的情況下提升了效率。它甚至可以預(yù)測訓(xùn)練集中沒有包含的元素或原子構(gòu)成的分子。

盡管這個工具并不是這個領(lǐng)域的開創(chuàng)者，但是這個算法在已有的工具基礎(chǔ)上進行了很多改進，能夠通過輸入的化學(xué)物質(zhì)來預(yù)測出反應(yīng)的過程和生成物的屬性，這一點至關(guān)重要。

研究人員表示“這些預(yù)測能將潛在的微觀屬性與我們在宏觀世界中關(guān)心的事情聯(lián)系起來，能讓我們提前知道一種催化劑的性能是否會比另一種更好，并確定新的候選藥物。"

Caltech研究人員的工作實質(zhì)上改變了預(yù)測軟件的關(guān)注焦點。以前的工具基于三種計算建模方法，即密度泛函理論(density functional theory,DFT )、耦合簇理論(coupledcluster theory ,CC )或默勒-普萊塞特擾動理論(M?ller–Plesset perturbation theory , MP2 )。這些理論代表了三種不同近似來解薛定諤方程的方法，而薛定諤方程描述了一種量子力學(xué)起著重要作用的復(fù)雜系統(tǒng)。

這些理論各有優(yōu)劣。DFT是一種快餐式的方法，它能讓研究人員更快地得出答案，但準確度較低。CC和MP2更精確，但是計算耗費時間更長，且消耗更多的算力。

但這種方法好似穿針引線利用機器學(xué)習(xí)將幾種方法的優(yōu)勢結(jié)合了起來，它能夠比DFT更準確的預(yù)測，但耗時卻比CC和MP2少。這種方法將機器學(xué)習(xí)算法集中在分子軌道，即分子周圍的電子云上來實現(xiàn)上述效果。相比之下，現(xiàn)有的工具則聚焦于分子中原子的類型或原子鍵合的角度。

目前為止，這種方法展示出了巨大的前景，雖然它現(xiàn)在還只被用來預(yù)測相對簡單的系統(tǒng)，但從目前的結(jié)果來看，它具有處理復(fù)雜化學(xué)問題的良好前景。如果這一方法在復(fù)雜化學(xué)問題上取得成功，它將稱為計算化學(xué)研究史上的里程碑事件，將極大地促進化學(xué)特別是計算化學(xué)、理論化學(xué)的發(fā)展。

這項工作發(fā)表在《化學(xué)理論與計算雜志》上，題為“機器學(xué)習(xí)的遷移應(yīng)用——通過分子軌道預(yù)測電子結(jié)構(gòu)”。