Nowe metody i algorytmy atomistycznych symulacji komputerowych
W ciągu ostatnich dwóch dekad metody odpowiedzi liniowej oparte na funkcjonale gęstości stały się faktycznym standardem obliczeń właściwości optycznych cząsteczek o małej i średniej wielkości. W centrum tych metod znajduje się równanie wartości własnych w przestrzeni rozwiązania z przeskokami na jednym orbitalu. Problemem tego rozwiązania jest fakt, iż jego szybko rosnąca wartość sprawia, że takie obliczenia są kosztowne, jeśli nie nieosiągalne, dla większych cząsteczek. Szczególnie dotyczy to zależnego od czasu funkcjonału gęstości w modelu ciasnego wiązania (TD-DFTB), gdzie ocena elementów macierzy jest niedroga. W przypadku stosunkowo dużych systemów, które mogą być badane, rozwiązanie równania wartości własnych określa koszt obliczeń. Aby rozwiązać ten problem, finansowany przez UE projekt PROPAGATE wykorzystał oparte na sile oscylatora obcinanie przestrzeni przeskoków na jednym orbitalu, aby zmniejszyć moc wymaganą do obliczeń widm absorpcji w oparciu o funkcjonał TD-DFTB. Nowe metody badań Badacze uczestniczący w projekcie PROPAGATE postawili sobie za cel opracowanie zaawansowanych metod dla pierwszych zasad atomistycznych symulacji komputerowych i zastosowanie ich do takich ważnych dla środowiska tematów, jak nanotechnologia i biofizyka. „Chcieliśmy pokazać, że nawet znaczne obcięcie nie niszczy głównych cech widma absorpcyjnego, w ten sposób naturalnie unikając niepotrzebnych obliczeń wzbudzeń z małymi mocami oscylatora” — wyjaśnia koordynator projektu Thomas Heine. „Naszą tezą było to, że zmniejszony koszt obliczeniowy funkcjonału TD-DFTB dobranego na bazie intensywności wraz z łatwością użycia w porównaniu z innymi metodami obniża barierę wykonywania obliczeń własności optycznych dużych cząsteczek i potencjalnie umożliwi wykonanie takich obliczeń w szerszej gamie zastosowań.” W trakcie badań prowadzonych w ramach projektu opracowano metody pozwalające na badanie dynamiki molekularnej ziemi z pierwszych zasad, stanów termo- i fotowzbudzonych, wraz z rozbudowanymi symulacjami z wykorzystaniem metod hybrydowych łączących mechanikę kwantową i klasyczną. Sposoby te zostały następnie zastosowane w dwóch aspektach nanotechnologii i biofizyki — do badania powstawania wysokiej temperatury oraz rozpuszczalności mieszanych (heteroatomowych) cząsteczek tlenków metali. „Technologia komputerowa stała się jeszcze bardziej skomplikowana — zarówno w zakresie oprogramowania, jak i sprzętu — a użytkownicy końcowi oczekują wygodnego graficznego interfejsu użytkownika (GUI)” — wyjaśnia Heine. Aby nadążyć za nowoczesnymi standardami oprogramowania, projekt użył kombinacji nowoczesnego języka skryptowego (Python) z tradycyjnym językiem Fortran. Jeśli chodzi o rozwój sprzętu, gdzie moc pojedynczych procesorów tylko nieznacznie wzrastała w ostatnich latach, trzeba było zastosować kompletny paradygmat równoległej implementacji. „W rezultacie oprogramowanie może być zarówno używane przez GUI, jak i uruchamiane z wiersza poleceń, co pozwala na wykorzystywanie skryptów i automatyczne przetwarzanie danych wyjściowych” — dodaje Heine. Najwydajniejsze obliczenia Końcowym wynikiem tych badań jest pomyślny rozwój nowych metod i algorytmów atomistycznych symulacji komputerowych dla procesów dynamicznych w systemach w skali nano na poziomie mechaniki kwantowej. Te metody i algorytmy zostały zaimplementowane w ADF Modeling Suite — nowoczesnym pakiecie oprogramowania naukowego gotowego do komercjalizacji. „Dzięki projektowi PROPAGATE obliczenia kwantowo-mechaniczne widm optycznych są wydajniejsze, szybsze i mogą być badane” — mówi Heine. W ramach projektu opracowano również oprogramowanie do komputerowego wspomagania projektowania (CAD) takich struktur molekularnych, jak struktury metaloorganiczne (MOF) i kowalencyjne organiczne (COF). Obie te struktury to nowe, obiecujące materiały zbudowane z pojedynczych cząsteczek.
Słowa kluczowe
PROPAGATE, obliczenia kwantowo-mechaniczne, równanie wartości własnych, zależny od czasu funkcjonał gęstości w modelu ciasnego wiązania (TD-DFTB), atomistyczne symulacje komputerowe, nanotechnologia, biofizyka
