Through Rainbow-Tinted Glasses: Machine Learning-Driven Modeling of Chromophores
Doktorsavhandling, 2026

Chromophores are a class of molecules that give color to the world around us, from the chlorophyll in plants that enables photosynthesis to the retinal molecules in our eyes that allow us to see. Chromophores are also fundamental for developing a range of technologies crucial for a transition to a sustainable society, including photovoltaics and energy storage. While chromophores have been widely studied experimentally, we still lack a sufficient understanding of their structure and dynamics on the atomic scale. In particular, many chromophores are glass formers or form supramolecular aggregates due to intermolecular interactions, leading to a complicated landscape of interactions spanning many time and length scales. Addressing this limitation requires atomistic simulations capable of connecting microscopic dynamics to experimentally measurable quantities. In this spirit, this thesis presents a simulation framework that links electronic structure calculations via molecular dynamics simulations to experiments, with a focus on neutron scattering.

The key ingredient in this framework is machine-learned interatomic potentials, enabling simulations with the accuracy of quantum mechanical calculations for large systems of chromophores. Methodological developments focus on the neuroevolution potential framework implemented in the GPUMD package. A major contribution is the development of the calorine package, which is a companion software for GPUMD that interfaces with the broader scientific software ecosystem.

The framework is applied to three challenging applications: glass formation, optical response, and neutron scattering. First, glass formation occurs beyond timescales accessible to molecular dynamics simulations, and this limitation is circumvented by extrapolating relaxation processes from nanoseconds to experimental timescales using Bayesian regression. Second, optical properties are obtained by using the neuroevolution potential framework to predict tensorial properties such as the dipole moment, or spectral quantities such as the electronic dielectric function. Finally, instrument-specific inelastic neutron scattering signatures are predicted using electronic structure calculations, machine learning, and correlation functions. Together, these developments establish a framework for connecting atomistic simulations with experimental observables, enabling modeling of chromophores over multiple time and length scales. The framework is transferable and directly applicable to other systems.

machine-learned interatomic potentials

molecular dynamics

optical absorption

chromophores

foundation models

neutron scattering

machine learning

PJ-salen
Opponent: Professor James Kermode, University of Warwick, United Kingdom

Författare

Eric Lindgren

Chalmers, Fysik, Kondenserad materie- och materialteori

Probing Glass Formation in Perylene Derivatives via Atomic-Scale Simulations and Bayesian Regression

Journal of Physical Chemistry B,;Vol. 129(2025)p. 6613-6619

Artikel i vetenskaplig tidskrift

calorine: A Python package for constructing and sampling neuroevolution potential models

Journal of Open Source Software,;Vol. 9(2024)p. 6264-6264

Artikel i vetenskaplig tidskrift

T. Liang, K. Xu, E. Lindgren, Z. Chen, R. Zhao, J. Liu, E. Berger, B. Tang, B. Zhang, Y. Wang, K. Song, P. Ying, N. Xu, H. Dong, S. Chen, P. Erhart, Z. Fan, T. Ala-Nissila, J. Xu. NEP89: Universal neuroevolution potential for inorganic and organic materials across 89 elements

Tensorial Properties via the Neuroevolution Potential Framework: Fast Simulation of Infrared and Raman Spectra

Journal of Chemical Theory and Computation,;Vol. 20(2024)p. 3273-3284

Artikel i vetenskaplig tidskrift

T. Hainer, E. Lindgren, L. Svensson, J. Wiktor, P. Erhart. Optical response of silica across temperature, pressure, and disorder via pretrained atomistic representations

Predicting neutron experiments from first principles: a workflow powered by machine learning

Journal of Materials Chemistry A,;Vol. 13(2025)p. 25509-25520

Artikel i vetenskaplig tidskrift

Tänk dig en underbar vårmorgon i skogen. Solens strålar letar sig in bland träden och faller på en vitsippa som just har slagit ut i ett hav av grönska. Naturen är full av färg, och bakom denna färgprakt finns små molekyler som kallas kromoforer, gammalgrekiska för ljusbärare. Klorofyllet i fotosyntesen och höstlövens färg från beta-karoten är några kända exempel. Kromoforernas förmåga att absorbera ljus gör dem viktiga i omställningen till ett hållbart samhälle, och de kan t.ex. användas i elektronik såsom solceller och lysdioder. Materialtillämpningen försvåras dock eftersom interaktioner mellan molekylerna påverkar både ljusabsorption och stabilitet över tid. Dessa interaktioner är svåra att studera enbart med experimentella metoder, men datorsimuleringar kan ge inblick på atomnivå i hur kromoforer får sina egenskaper.

I mitt arbete har jag tagit fram ett simuleringsramverk för att studera kromoforer i atomskala, där simuleringarna kan kopplas direkt till experiment. Ramverket är baserat på maskininlärning, vilket möjliggör simuleringar av tusentals molekyler för en djupare förståelse av hur kromoforer samspelar. All mjukvara är tillgänglig som öppen källkod. I avhandlingen tillämpas ramverket bland annat för att studera glasliknande tillstånd hos vissa kromoforer och för att simulera neutronspridningsexperiment. Dessa simuleringar validerar metoden och kan vägleda framtida experimentell forskning, och är ett steg på vägen mot ett förnyelsebart och färgstarkt framtida samhälle.

Sveriges Neutronforskarskola - SwedNESS

Stiftelsen för Strategisk forskning (SSF) (GSn15-0008), 2017-01-01 -- 2020-12-31.

Stiftelsen för Strategisk forskning (SSF) (GSn15-0008), 2016-07-01 -- 2021-06-30.

Ämneskategorier (SSIF 2025)

Atom- och molekylfysik och optik

Den kondenserade materiens fysik

Drivkrafter

Hållbar utveckling

Fundament

Grundläggande vetenskaper

Styrkeområden

Materialvetenskap

Infrastruktur

Chalmers e-Commons (inkl. C3SE, 2020-)

DOI

10.63959/chalmers.dt/5890

ISBN

978-91-8103-433-2

Doktorsavhandlingar vid Chalmers tekniska högskola. Ny serie: 5890

Utgivare

Chalmers

PJ-salen

Online

Opponent: Professor James Kermode, University of Warwick, United Kingdom

Mer information

Senast uppdaterat

2026-05-25