Modellazione di sistemi nano-abilitati mediante complesse simulazioni multiscala
Una modellazione accurata di sistemi nano-abilitati richiede l’utilizzo di complesse simulazioni multiscala e di approcci multimodello capaci di collegare fenomeni rilevanti su nanoscala, microscala, mesoscala e macroscala. Anche se gli strumenti e i modelli di simulazione attualmente disponibili possono descrivere accuratamente un materiale su ognuna di questa scale separatamente, la ricerca non dispone di un quadro di simulazione integrato e multiscala che fornisca un collegamento e un accoppiamento senza interruzioni di vari modelli che operano su differenti scale. Il progetto SIMPHONY, finanziato dall’UE, ha aiutato a colmare questa lacuna sviluppando un ambiente di modellazione multiscala, integrato e facile da usare per materiali e sistemi progettati per essere nano-abilitati. “Uno dei principali obiettivi del progetto era quello di sviluppare una piattaforma aperta ed estendibile per integrare vari pacchetti software esistenti, open source e commerciali, per la simulazione e la pre e post-elaborazione,” spiega il dott. Adham Hashibon, coordinatore del progetto. Secondo Hashibon, questa integrazione è stata ottenuta confezionando i pacchetti di simulazione con una interfaccia efficiente e interoperabile, progettata e implementata in un linguaggio ad alto livello (ovvero Python) con una comune interfaccia di programmazione dell’applicazione (API) verso il mondo esterno. “Visto che questo sistema consente sia il collegamento che l’accoppiamento dei codici, il quadro SIMPHONY fornisce una piattaforma per lo sviluppo di una nuova scienza multiscala,” afferma. Gli strumenti di modellazione integrati nel progetto coprono tutti i modelli su tutte le scale, inclusa quella elettronica, atomistica, mesoscopica e del continuo. Diversi risultati importanti Il progetto SIMPHONY ha portato a diversi risultati importanti. Ad esempio, effettuando una tassonomia delle comunicazioni interprocesso e intra processo e dei requisiti in materia di dati in base alle necessità di ogni serie di strumenti e modelli, i ricercatori hanno sviluppato una serie iniziale di requisiti di progettazione software di alto livello per gli involucri dell’interfaccia e strutture dati comuni unificate (CUDS). “Le CUDS forniscono uno strato di interoperabilità tra tutti i modelli e il software di simulazione,” spiega Hashibon. “Un risultato importante di questo lavoro è stato lo sviluppo di un’ontologia di base delle applicazioni e dei modelli computazionali.” Un altro risultato significativo è stato lo sviluppo degli attributi comuni universali-unificati di base (CUBA) quali nomenclatura e metadati comuni per la modellazione e le applicazioni multiscala. “Mentre i CUBA essenzialmente definiscono dei metadati per la modellazione multiscala, le CUDS definiscono lo schema rilevante dei metadati,” afferma Hashibon. “Assieme, essi facilitano il passaggio senza interruzioni di informazioni e la rappresentazione di modelli e dati in tutti i sottodomini, consentendo pertanto ai modelli di accoppiarsi e collegarsi perfettamente.” L’efficienza del quadro di modellazione In base ai requisiti generali e alle specifiche delle CUDS, i ricercatori del progetto hanno sviluppato due tipi di involucri dell’interfaccia verso i motori di modellazione. Questo ha portato a una serie di applicazioni di simulazione che coprono tutti i modelli e tutte le scale, inclusi i tre principali domini computazionali per sistemi basati su reticoli, particelle e griglie. “Il progetto SIMPHONY è riuscito a dimostrare l’efficienza del quadro di modellazione in settori rilevanti della nanotecnologia progettando e sviluppando diversi strumenti specializzati di progettazione con modellazione multiscala che possono ridurre il tempo necessario per scoprire nuovi dispositivi nanofluidici e microfluidici per applicazioni biomediche, chimiche e connesse all’energia,” conclude Hashibon. “In particolare, esso si rivolge a sistemi per nanostampa, NEMS (sistemi nano elettromeccanici), procedimenti di formazione di schiume e applicazioni microfluidiche.”
Parole chiave
SIMPHONY, nanotecnologia, materiali nano-abilitati, NEMS, CUDS