Chemia kwantowa: dokładniejsze symulacje komputerowe dla większych układów molekularnych

• Strona główna
• Artykuły
• Chemia kwantowa: dokładniejsze symulacje komputerowe dla większych układów molekularnych

2020-04-08

W ciągu ostatnich trzech dekad 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 chemia i fizyka, ale także w nowoczesnych obszarach nauk przyrodniczych, takich jak biologia molekularna i nanotechnologia. Chemia kwantowa lub zastosowanie mechaniki kwantowej w systemach i zjawiskach molekularnych są już 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. W rezultacie, dokładne symulacje komputerowe na coraz większych układach molekularnych są pożądane nie tylko przez środowiska akademickie, ale także przez rozmaite laboratoria badawcze.

Jedyny 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, opracowuje się tak zwane lokalne metody korelacji, które opisują podstawowe oddziaływania odpychające między indywidualnymi elektronami w przestrzeni lokalnej, nie zaś w typowy sposób zdelokalizowany.

Odpowiednie zespoły badawcze opracowały niedawno swoisty kod chemii kwantowej zwany LSDalton – masowo równoległy program liniowego skalowania wykorzystywany do dokładnego określania energii i innych molekularnych właściwości systemów wielkocząsteczkowych. 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.

Kluczem do osiągnięcia celu było wyrażenie sprzężonej funkcji fali klastra w oparciu o lokalne orbitale Hartree-Focka (HF). Z powodzeniem wykazano, jak można uzyskać takie podstawy HF i opisano, jak można uzyskać skalowalne, w znacznym stopniu porównywalne sprzężone energie klastrów. Na różnych poziomach sprzężonej teorii klastrów przeprowadzono skuteczne i w znacznym stopniu porównywalne obliczenia dla energii i gradientu molekularnego. W przyszłości ta sama technologia ma być zastosowana 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.

Wyniki, które już teraz udało się osiągnąć 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. Rozwiązania te są szczególnie interesujące w kontekście superkomputerów, w przypadku których najważniejszym czynnikiem jest rzeczywisty czas przedstawienia rozwiązania.

przemysł chemicznybadania i rozwój