Nuovi metodi e algoritmi per le simulazioni atomistiche al computer
Nel corso degli ultimi due decenni gli approcci alla risposta lineare sulla base del funzionale della densità sono diventati di fatto lo standard per calcolare le proprietà ottiche delle molecole di piccole e medie dimensioni. Alla base di questi metodi si trova l’equazione agli autovalori nello spazio della soluzione per le transizioni a orbitale singolo. Il problema con questa soluzione è che il suo numero aumenta rapidamente e rende tali calcoli costosi, se non irrealizzabili, per le molecole più grandi. Questo si verifica in particolare per il legame stretto funzionale della densità dipendente dal tempo (TD-DFTB), dove la valutazione degli elementi della matrice è poco costosa. Per i sistemi relativamente grandi che possono essere studiati, la soluzione dell’equazione agli autovalori determina il costo del calcolo. Per risolvere questo problema, il progetto PROPAGATE, finanziato dall’UE, ha utilizzato un troncamento basato sulla forza dell’oscillatore dello spazio di transizione a orbitale singolo per ridurre lo sforzo computazionale dei calcoli degli spettri di assorbimento basati sul TD-DFTB. Nuovi metodi di studio Quello che i ricercatori di PROPAGATE si proponevano di fare era sviluppare dei metodi avanzati per i principi primi delle simulazioni atomistiche al computer e la loro applicazione ad argomenti molto importanti dal punto di vista ambientale come la nanotecnologia e la biofisica. “Ciò che volevamo mostrare era che persino un troncamento consistente non distrugge le caratteristiche principali dello spettro di assorbimento, evitando inoltre in modo naturale il calcolo non necessario delle eccitazioni con piccole forze dell’oscillatore,” spiega Thomas Heine, il coordinatore del progetto. “Il nostro ragionamento era che un costo computazionale ridotto del TD-DFTB a intensità selezionata, assieme alla sua facilità d’uso in confronto ad altri metodi, riduce la barriera rappresentata dall’esecuzione di calcoli delle proprietà ottiche di molecole grandi e può essere d’aiuto per rendere possibili questi calcoli in una gamma più ampia di applicazioni.” Durante il corso della sua ricerca, il progetto ha sviluppato dei metodi che hanno reso possibile lo studio della dinamica molecolare da principi primi del suolo, stati eccitati termicamente e fotoeccitati, in aggiunta ad ampie simulazioni usando metodi ibridi che hanno combinato meccanica quantistica e classica. Questi metodi sono stati poi usati per due applicazioni nei campi della nanotecnologia e della biofisica per studiare la formazione e la solubilità ad alta temperatura di particelle eterogenee miste metallo ossido. “La tecnologia informatica è diventata sempre più complessa, sia in termini di software che di hardware, e gli utenti finali si aspettano un’interfaccia grafica utente (GUI) comoda,” spiega Heine. In modo da tenere il passo con i moderni standard relativi al software, il progetto ha usato una combinazione di un linguaggio di scripting moderno (python) con il tradizionale linguaggio Fortran. Per quanto riguarda lo sviluppo dell’hardware, dove la potenza delle singole CPU stava crescendo di poco negli ultimi anni, si è dovuto seguire un paradigma di implementazione del tutto parallelo. “Il risultato è che il software poteva essere usato dall’interfaccia GUI, ma anche in una versione a riga di comando che consente lo scripting e l’elaborazione automatica del risultato,” aggiunge Heine. Calcoli più efficienti Il risultato finale di questa ricerca è il successo nello sviluppo di nuovi metodi e algoritmi per le simulazioni atomistiche al computer per processi dinamici in sistemi su nanoscala a livello quantomeccanico. Questi metodi e algoritmi sono stati implementati nella ADF Modelling Suite, un moderno pacchetto software scientifico pronto per la commercializzazione. “Grazie a PROPAGATE, i calcoli quantomeccanici degli spettri ottici sono più efficienti, veloci e possibili da studiare dal punto di vista computazionale,” afferma Heine. Inoltre, il progetto ha sviluppato anche un software per la progettazione assistita dal computer di composti a struttura molecolare come le strutture organo-metalliche (metal-organic framework, MOF) e le strutture organo-covalenti (covalent-organic framework, COF), che sono entrambe promettenti nuovi materiali composti da singole molecole.
Parole chiave
PROPAGATE, calcoli quantomeccanici, equazione agli autovalori, legame stretto funzionale della densità dipendente dal tempo (TD-DFTB), simulazioni atomistiche al computer, nanotecnologia, biofisica
