مهندسی مکانیک مدرس

مهندسی مکانیک مدرس

بررسی رسانش حرارتی در نانولوله‌های کربنی آلاییده: رویکرد ترکیبی تفسیرپذیر از یادگیری ماشین و شبیه‌سازی دینامیک مولکولی

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسنده
مرکز تحقیقات مواد و انرژی، واحد دزفول، دانشگاه آزاد اسلامی، دزفول، ایران
10.48311/mme.2026.96924.0
چکیده
پیش‌بینی دقیق هدایت حرارتی (κ) در نانولوله‌های کربنی آلاییده (CNTs) برای مدیریت حرارتی پیشرفته در نانوالکترونیک حیاتی است. اگرچه شبیه‌سازی‌های دینامیک مولکولی (MD) بینش فیزیکی ارائه می‌دهند، اما برای غربالگری سریع از نظر محاسباتی پرهزینه هستند. در این مطالعه، یک چارچوب شبکه عصبی گرافی  (GNN) برای پیش‌بینی هدایت حرارتی نانولوله‌های کربنی آلاییده با نیتروژن تحت شرایط مختلف کرنش و آلایش ارائه می‌دهیم. مجموعه‌ داده‌ای متشکل از 5000 پیکربندی با استفاده از شبیه‌سازی‌های MD و پتانسیل آریبو (AIREBO) تولید شده است که طیف وسیعی از کایرالیته‌ها، غلظت‌های آلایش نیتروژن (0 تا 5 درصد اتمی) و کرنش‌های کششی (0 تا 8 درصد) را پوشش می‌دهد. مدل GNN، مبتنی بر معماری MPNN، خطای جذر میانگین مربعات( RMSE)  برابر با 0.14 W/mK و ضریب تعیین R² برابر با 0.99 روی مجموعه آزمون به‌دست آورده است که نشان‌دهنده دقت بسیار بالای پیش‌بینی است. تحلیل تفسیرپذیری با استفاده از Grad-CAM نشان می‌دهد که اتم‌های نیتروژن و پیوندهای کربنی کشیده مجاور آن‌ها، مراکز اصلی پراکندگی فونون بوده و به‌طور قابل توجهی κ را کاهش می‌دهند. تحلیل حساسیت تأیید می‌کند که غلظت آلایش و قطر لوله تأثیرگذارترین پارامترها هستند. چارچوب ترکیبی MD-GNN پیشنهادی، امکان پیش‌بینی سریع و تفسیرپذیر خواص حرارتی را فراهم می‌کند و ابزاری قدرتمند برای طراحی مواد حرارتی هوشمند و نانوحسگرهای مبتنی بر کرنش ارائه می‌دهد.
کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله English

Investigating Thermal Conductivity in Doped Carbon Nanotubes: An Interpretable Hybrid Approach Combining Machine Learning and Molecular Dynamics

نویسنده English

Hoda Ghavaminia
Materials and Energy Research Center, Dez. Co., Islamic Azad University, Dezful. Iran
چکیده English

Accurate prediction of thermal conductivity (κ) in doped carbon nanotubes (CNTs) is crucial for advanced thermal management in nanoelectronics. While molecular dynamics (MD) simulations provide physical insights, they are computationally expensive for high-throughput screening. In this study, we propose a Graph Neural Network (GNN) framework to predict the thermal conductivity of nitrogen-doped CNTs under varying strain and doping conditions. A dataset of 5,000 configurations is generated using MD simulations with the AIREBO potential, covering a wide range of chiralities, nitrogen doping concentrations (0–5.%), and tensile strains (0–8%). The GNN model, based on a Message Passing Neural Network (MPNN) architecture, achieves a root mean square error (RMSE) of 0.14 W/mK and a coefficient of determination (R²) of 0.99 on the test set, demonstrating exceptional predictive accuracy. Interpretability analysis via Gradient-weighted Class Activation Mapping (Grad-CAM) reveals that nitrogen atoms and their adjacent strained carbon bonds are the primary phonon scattering centers, significantly reducing κ. Sensitivity analysis confirms that doping concentration and tube diameter are the most influential parameters. The proposed hybrid MD-GNN framework enables rapid and physically interpretable prediction of thermal properties, offering a powerful tool for the design of intelligent thermal materials and strain-based nanosensors.

کلیدواژه‌ها English

Graph Neural Network (GNN)
Thermal Conductivity
Carbon Nanotube (CNT)
Nitrogen Doping
Molecular Dynamics (MD)…

مقالات آماده انتشار، پذیرفته شده
انتشار آنلاین از 21 بهمن 1404