Dokładniejsze symulacje komputerowe dla większych układów molekularnych
W ciągu ostatnich trzech dziesięcioleci coraz częściej interpretowano różne makroskopowe zjawiska chemiczne i mechanizmy reakcji pod względem konkretnych oddziaływań między- i wewnątrzcząsteczkowych. Dzisiaj zadania te podejmowane są nie tylko w klasycznych dziedzinach, takich jak fizyka i chemia, ale także w nowoczesnych obszarach nauk przyrodniczych, takich jak biologia molekularna i nanotechnologia. Dlatego chemia kwantowa lub zastosowanie mechaniki kwantowej w systemach i zjawiskach molekularnych stało się integralnym narzędziem wykorzystywanym we wszystkich naukach chemicznych, biologicznych i materiałoznawstwie. Oprócz dostarczania jakościowych informacji o molekułach i ich rozmaitych interakcjach, współczesna chemia kwantowa może również pomóc w lepszym zrozumieniu procesów molekularnych, których nie można opracować wyłącznie na podstawie działań eksperymentalnych służących otrzymaniu nieuchwytnych produktów pośrednich reakcji chemicznych. „Większość wyników doświadczalnych zostaje opracowanych z użyciem nowoczesnych technik obliczeniowych, a teoria jest obecnie – bardziej niż kiedykolwiek – wykorzystywana jako narzędzie do prowadzenia i nadawania kierunku przyszłym pracom badawczym w branży medycznej i materiałoznawstwie.” – mówi Poul Jorgensen, uczony pracujący w ramach finansowanego przez UE projektu LCC. „W rezultacie, dokładne symulacje komputerowe na coraz większych układach molekularnych są pożądane nie tylko przez środowiska akademickie, ale także przez rozmaite laboratoria badawcze.” Jednak według Jorgensena problem polega na tym, że gdy wymagana jest coraz większa dokładność, to wraz z wielkością układu molekularnego dramatycznie rosną wysiłki obliczeniowe. „Aby obejść ten problem obliczeniowy, opracowano tak zwane lokalne metody korelacji, które opisują podstawowe oddziaływania odpychające między indywidualnymi elektronami w przestrzeni lokalnej, nie zaś w typowy sposób zdelokalizowany.” – mówi. Poprawienie kodu LSDalton Jorgensen należał do zespołu badawczego, który opracował kod chemii kwantowej zwany LSDalton – masowo równoległy program liniowego skalowania wykorzystywany do dokładnego określania energii i innych molekularnych właściwości systemów wielkocząsteczkowych. Teraz w ramach projektu LCC, Jorgensen i jego zespół dalej pracowali nad kodem LSDalton. „Ostatecznym celem tego projektu było uzyskanie metod klastrowania, które skalują się liniowo wraz z rozmiarem systemu, a gdy obliczenia są w znacznym stopniu porównywalne, to takie obliczenia dla małych i dużych układów molekularnych wymagają tego samego rzeczywistego czasu obliczenia.” – mówi Jorgensen. Kluczem do osiągnięcia celu było wyrażenie sprzężonej funkcji fali klastra w oparciu o lokalne orbitale Hartree-Focka (HF). „Z powodzeniem wykazaliśmy, jak można uzyskać takie podstawy HF i opisaliśmy, jak można uzyskać skalowalne, w znacznym stopniu porównywalne sprzężone energie klastrów.” – wyjaśnia Jorgensen. „Na różnych poziomach sprzężonej teorii klastrów przeprowadziliśmy skuteczne i w znacznym stopniu porównywalne obliczenia dla energii i gradientu molekularnego, a w przyszłości zastosujemy tę samą technologię w przypadku nawet wyższych poziomów metod klastrowych dla uzyskania nie tylko energii i gradientu dużej cząsteczki, ale również innych właściwości cząsteczkowych, takich jak energia wzbudzania i momenty przejściowe, ekranowanie jądra, polaryzowalność i elektroniczny i wibracyjny dichroizm kołowy.” Nowa era obliczeń kwantowych Wyniki, które udało się osiągnąć dzięki finansowanemu przez UE projektowi LCC otworzyły nową erę dokładnych obliczeń kwantowych na dużych układach molekularnych, takich jak nanocząstki i białka. „Lepsza wydajność może przynieść korzyść wszystkim dziedzinom nauk i inżynierii molekularnej poprzez zwiększenie maksymalnego rozmiaru systemu molekularnego, który można symulować i w ramach którego można osiągnąć stuprocentową dokładność.” – wyjaśnia Jorgensen. Rozwiązania te są szczególnie interesujące w kontekście superkomputerów, w przypadku których najważniejszym czynnikiem jest rzeczywisty czas przedstawienia rozwiązania. Tam właśnie program LSDalton może być efektywnie wykorzystany. Wyniki znalazły uznanie w Oak Ridge National Laboratory (ORNL) w Stanach Zjednoczonych, gdzie znajduje się jeden z największych superkomputerów, TITAN, i gdzie największy na świecie superkomputer SUMMIT zostanie uruchomiony w ciągu najbliższego roku. W tym przypadku LSDalton został skutecznie wykorzystany do wykonywania bardzo dużych obliczeń korelacyjnych na komputerze TITAN. „Obecnie laboratorium ORNL pracuje nad udoskonaleniem programu LSDalton i będzie niedługo gotowe do przetestowania na komputerze SUMMIT nowych, trudnych zastosowań, dotyczących na przykład nanorurek węglowych, grafenu i preferowanej krystalicznej formy cząsteczek organicznych.” - mówi Jorgensen.
Słowa kluczowe
LCC, Unia Europejska UE, LSDalton, superkomputery, chemia kwantowa
