Migliore simulazione degli effetti quantistici nucleari
A livello quantistico, i materiali si comportano in un modo che è sostanzialmente diverso da quello del mondo newtoniano di tutti i giorni. Questo può influire sulle modalità di funzionamento di materiali e dispositivi che contengono idrogeno o altri atomi leggeri. Per modellare questo comportamento, vengono utilizzate tecniche di simulazione basate su computer. Per i sistemi a fase condensata, la teoria funzionale della densità (DFT) fornisce un quadro sufficientemente accurato che consente di osservane la struttura elettronica quantistica. Tuttavia, la DFT è costosa. In certi casi è auspicabile abbinare simulazioni DFT a tecniche di dinamica molecolare con integrale sui cammini (PIMD), per un approccio pratico alle deviazioni dal comportamento newtoniano. Il problema è che l'uso combinato delle due tecniche è molto costoso e richiede tempo. Il progetto NQEAIMD ("Fast and accurate simulation of nuclear quantum effects in ab-initio molecular dynamics by a generalised Langevin equation") puntava a realizzare simulazioni PIMD meno costose. Intendeva facilitare la combinazione di effetti quantistici nucleari (NQE) e simulazioni DFT. I ricercatori hanno innanzitutto applicato un'equazione di Langevin generalizzata (GLE) con rumore colorato a una simulazione PIMD. Una volta stabilita questa metodologia, hanno studiato l'impatto degli NQE sulle proprietà dell'acqua. Poi l'hanno estesa a problemi più complessi in collaborazione con alcuni gruppi sperimentali. Il team ha sviluppato una tecnica ibrida chiamata PI+GLE, che riduce il costo a meno di un quinto. La tecnica PI+GLE è stata in seguito migliorata per produrre il metodo PIGLET che potrebbe rendere di routine l'inclusione di NQE nella dinamica molecolare ab initio. A tal fine, i ricercatori hanno inoltre sviluppato i-PI, un'interfaccia che utilizza codici di struttura elettronica e l'hanno rilasciata come codice open-source. I risultati del progetto NQEAIMD avranno un impatto sulla simulazione computerizzata del lavoro di altri scienziati. Le simulazioni dovrebbero essere più precise nel caso di materiali e sostanze chimiche che contengono atomi leggeri, tra cui l'idrogeno. A sua volta, questo potrebbe aiutare la realizzazione del potenziale di progettazione computer-aided dei materiali, garantendo migliori batterie, enzimi, celle a combustibile e altri dispositivi.