Indsigt gennem atomsimulering

Et nyligt særnummer af Journal of Chemical Physics fremhæver Pacific Northwest National Laboratory's (PNNL) bidrag til at udvikle to fremtrædende open source-softwarepakker til beregningskemi, der bruges af forskere rundt om i verden.

PNNL-forskere har været medvirkende til at udvikle softwarepakkerne, kaldet NWChem og CP2K. Disse programmer tilbyder komplementære tilgange til beregning af elektronisk struktur, som er grundlæggende for atomær adfærd og kemisk binding.

Ifølge abstraktet for dette specialnummer, "det elektroniske strukturfællesskab har nu et vidunderligt mangfoldigt arsenal af softwarepakker til rådighed til at udføre beregninger på molekyler og materialer." NWChem og CP2K er inkluderet i det arsenal.

I årtier, beregningskemikere har arbejdet på at udvikle måder til effektivt at løse ligninger, der beskriver, hvordan elektroner bevæger sig rundt om atomer, hvordan atomer forbinder for at danne molekyler, og hvordan elektroner reagerer på stimuli. Løsning af disse ligninger kræver ofte komplekse beregninger, der bruger computertid og behandlingsressourcer. Beregningskemikere udvikler og optimerer omhyggeligt elektroniske strukturalgoritmer for at balancere beregningseffektivitet med forudsigelser, der er nøjagtige nok til at genskabe observationer i faktiske molekylære og materialesystemer i realistiske miljøer.

"Nu teorien, beregningsteknikker, og processorhardware er alle på et punkt, hvor forskere kan bruge disse pakker regelmæssigt, " sagde Greg Schenter, en fysiker og laboratoriestipendiat ved PNNL.

Forskere over hele verden bruger atomistiske computersimuleringer til at forklare nye videnskabelige fænomener, fortolke eksperimentelle målinger, forudsige materialers egenskaber og produkter af kemiske reaktioner, og designe nye molekylære systemer. NWChem og CP2K giver information, der gør det muligt for videnskabsmænd effektivt at tune, styring, og designe molekylære processer til ønskede resultater.

Forskere på PNNL bruger resultaterne fra disse pakker i deres eget arbejde. De hjælper kemikere med at skabe mere effektive katalysatorer; biologer studerer proteiner, der omdanner biomasse til brændstof; batteriforskere studerer ionoverførsel i elektrolytter; og geokemikere og miljøforskere afdækker molekylære mekanismer i biogeokemiske transformationer.

NWChem:nøjagtige grundegenskaber og egenskaber i exciteret tilstand af molekyler og materialer

NWChem, også kendt som NorthWest Chemistry, blev først udviklet i 1990'erne på Environmental Molecular Sciences Laboratory, et amerikansk energiministerium, Office of Science brugerfacilitet på PNNL. Det blev udviklet til at udnytte kraften fra massivt parallelle supercomputere.

Koden har udviklet sig til at køre på computerfaciliteter og personlige computere. NWChem er nu meget brugt på universiteter, andre nationale laboratorier, og computercentre rundt om i verden.

NWChem modellerer elektronisk struktur og dynamik i molekyler og kondenserede fasesystemer med forskellige elektroniske strukturer og detaljerede niveauer. Præcisionen og detaljerne i forudsigelserne produceret af NWChem gør det muligt for forskere at forudsige egenskaber og eksperimentelle spektroskopiske signaler over en bred vifte af systemer, herunder molekyler, nanostrukturer, faste stoffer, og biomolekyler.

CP2K:effektive beregninger for molekylære ensembler

CP2K startede i 2000, tilvejebringelse af effektive modeller af elektronisk struktur til at simulere store kemiske systemer i den kondenserede fase for at belyse kollektiv adfærd. Den udfører atomistiske simuleringer af fast tilstand, væske, molekylær, periodisk, materiale, krystal, og biologiske systemer.

Schenter beskriver CP2K som lomme-multiværktøjet til molekylære simuleringer, fordi det har en bred vifte af muligheder i en brugervenlig pakke.

Softwaren inkorporerer statistisk mekanik, hvilket gør det nyttigt at fange fænomener i molekylære ensemblers kollektive dans. På grund af beregningsfleksibiliteten, CP2K er meget udbredt i computerkemisamfundet og designet med effektive algoritmer, der er nødvendige for studiet af heterogene kondenserede fasesystemer. Brugere kan også nemt ændre softwaren, så den passer til deres beregningsmæssige behov.

Hos PNNL, NWChem har modtaget støtte fra Basic Energy Sciences, Biologisk og miljømæssig forskning, og avancerede videnskabelige databehandlingsprogrammer, mens CP2K-udvikling er blevet finansieret af programmet Basic Energy Sciences; alle disse programmer er i det amerikanske energiministerium, Videnskabens kontor.

Ser frem til, PNNL planlægger at fortsætte med at bygge videre på sin lange historie med at fremme softwareværktøjer som disse til grundlæggende forskning.

"PNNL-forskere har været involveret i udvikling af softwareværktøjer til elektronisk strukturberegning i årtier, og værktøjerne er avanceret til effektivt at beskrive komplekse fænomener. Nu udvikler vi pakkerne til at arbejde med stadig mere realistiske systemer, "Sagde Schenter.