[논문 리뷰] Crystal Toolkit: A Web App Framework to Improve Usability and Accessibility of Materials Science Research Algorithms

Matthew Horton, Jimmy‐Xuan Shen외 22명|arXiv (Cornell University)|2023. 02. 13.

Scientific Computing and Data Management인용 수 8

한 줄 요약

Crystal Toolkit은 결정 구조 및 관련 재료 데이터의 시각화와 변환을 위한 오픈 소스 웹 앱 프레임워크로, 웹 앱 개발을 가속하고 비프로그래머가 재료 알고리즘에 접근할 수 있게 합니다; 이는 Materials Project 프런트엔드를 구동합니다.

ABSTRACT

Crystal Toolkit is an open source tool for viewing, analyzing and transforming crystal structures, molecules and other common forms of materials science data in an interactive way. It is intended to help beginners rapidly develop web-based apps to explore their own data or to help developers make their research algorithms accessible to a broader audience of scientists who might not have any training in computer programming and who would benefit from graphical interfaces. Crystal Toolkit comes with a library of ready-made components that can be assembled to make complex web apps: simulation of powder and single crystalline diffraction patterns, convex hull phase diagrams, Pourbaix diagrams, electronic band structures, analysis of local chemical environments and symmetry, and more. Crystal Toolkit is now powering the Materials Project website frontend, providing user-friendly access to its database of computed materials properties. In the future, it is hoped that new visualizations might be prototyped using Crystal Toolkit to help explore new forms of data being generated by the materials science community, and that this in turn can help new materials scientists develop intuition for how their data behaves and the insights that might be found within. Crystal Toolkit will remain a work-in-progress and is open to contributions from the community.

연구 동기 및 목표

• 과학 시각화 및 도구 설계에 인간 중심의 접근 방식을 촉진한다.
• 재료과학의 일반 소프트웨어 객체에 연결된 충실하게 표현되고 조합 가능한 시각화를 제공한다.
• 프로그래밍 기술이 제한된 연구자들이 파이썬을 사용해 웹 앱을 구축할 수 있도록 진입 장벽을 낮춘다.
• 데이터 탐색 도구의 신속한 프로토타이핑을 가능하게 하고 커뮤니티 기여를 촉진한다.

제안 방법

• Structures, Molecules, Band Structures, Pourbaix Diagrams 등과 같은 pymatgen 데이터 유형에 매핑된 바로 사용 가능한 컴포넌트 라이브러리를 제공한다.
• Dash(Python)와 React를 기반으로 단일 파일 파이썬 개발 및 핫 모듈 리로딩으로 대화형 웹 앱을 가능하게 한다.
• 시각화가 기본 소프트웨어 객체 및 과학적 추상화를 충실히 반영하도록 보장하고 객체 간의 조합 가능성을 확보한다.
• GitHub 주도 개발과 함께 오픈 소스 BSD 라이선스를 채택하여 광범위한 커뮤니티 참여와 지속 가능성을 촉진한다.
• Catalysis Explorer 및 MOF Explorer와 같은 앱을 포함하여 확장성 및 실제 사용 사례를 보여주기 위해 Materials Project와의 통합을 수행한다.

Figure 1: A timeline of molecular and crystallographic visualizations with several key advances highlighted. Throughout the history of chemistry and materials science, effective visualization has proven an invaluable tool to help develop intuition and unlock key new insights that have advanced the f

실험 결과

연구 질문

• RQ1 다양한 프로그래밍 경험을 가진 연구자들을 위한 복잡한 재료 과학 데이터 시각화의 사용성 및 접근성을 Crystal Toolkit이 어떻게 개선할 수 있는가?
• RQ2 일반 데이터 객체에 매핑된 조합 가능하고 충실한 시각화 라이브러리가 출판물, 노트북, 웹 앱 전반의 오류를 줄이고 직관을 향상시킬 수 있는가?
• RQ3 새로운 데이터 유형에 확장 가능성을 유지하면서 프레임워크가 대규모 데이터 세트와 고트래픽 웹 앱에 얼마나 확장될 수 있는가?
• RQ4 Crystal Toolkit이 커뮤니티 기여를 얼마나 효과적으로 촉진하고 재료 과학 분야의 새로운 시각화 도구 개발을 더 빠르게 이끌 수 있는가?
• RQ5 기존 라이브러리(예: pymatgen)와의 통합이 시각화의 충실도와 활용성에 미치는 영향은 무엇인가?

주요 결과

• Crystal Toolkit은 일반적인 재료 과학 데이터 유형에 매핑된 바로 사용 가능한 컴포넌트를 제공하고 일관된 시각화를 연결하여 제공할 수 있다.
• 이 프레임워크는 Materials Project 프런트엔드를 구동하여 계산된 재료 특성의 방대한 데이터베이스에 사용자 친화적으로 접근할 수 있게 한다.
• 크리스탈 구조, 밴드 구조, Pourbaix 다이어그램, X선 스펙트럼, 상 다이어그램, 대칭성, 회절 패턴 등 다양한 시각화와 대화형 기능을 지원한다.
• 이 프로젝트는 커뮤니티 기여와 구성 요소의 지속적인 진화를 통해 오픈 소스 개발을 보여준다.
• Crystal Toolkit은 MPContribs 데이터를 활용하여 Catalysis Explorer 및 MOF Explorer와 같은 Materials Project 내 신규 앱의 신속한 개발을 가능하게 했다.
• Materials Project의 모든 146,000개의 결정 구조 이미지는 시연으로 Crystal Toolkit을 사용하여 생성되었다.

Figure 2: A design goal of Crystal Toolkit is to provide human-centered representations of software objects, and specifically to ensure that the default representations are as faithful to the underlying software object as possible so as to help the user gain intuition about the use of these objects.