• Home
  • Kemi
  • Astronomien
  • Energi
  • Naturen
  • Biologi
  • Fysik
  • Elektronik
  •  science >> Vetenskap >  >> Fysik
    Insikter genom atomsimulering

    Upphovsman:Nathan Johnson | Pacific Northwest National Laboratory

    En ny specialutgåva av Journal of Chemical Physics lyfter fram Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) bidrag till att utveckla två framstående programvara med öppen källkod för beräkningskemi som används av forskare runt om i världen.

    PNNL -forskare har bidragit till utvecklingen av programpaketen, kallas NWChem och CP2K. Dessa program erbjuder kompletterande metoder för att beräkna elektronisk struktur, som är grundläggande för atombeteende och kemisk bindning.

    Enligt abstraktet för detta specialnummer, "gemenskapen för elektronisk struktur har nu en fantastiskt varierad arsenal av mjukvarupaket som är tillgängliga för att utföra beräkningar på molekyler och material." NWChem och CP2K ingår i den arsenalen.

    I årtionden, beräkningskemister har arbetat med att utveckla sätt att effektivt lösa ekvationer som beskriver hur elektroner rör sig runt atomer, hur atomer ansluter för att skapa molekyler, och hur elektroner reagerar på stimuli. Att lösa dessa ekvationer kräver ofta komplexa beräkningar som kräver datortid och bearbetningsresurser. Beräkningskemister utvecklar och optimerar algoritmer för elektronisk struktur noggrant för att balansera beräkningseffektiviteten med förutsägelser som är tillräckligt noggranna för att återskapa observationer i faktiska molekyl- och materialsystem i realistiska miljöer.

    "Nu är teorin, beräkningsteknik, och processorhårdvara är alla på en punkt där forskare kan använda dessa paket regelbundet, "sa Greg Schenter, en fysiker och laboratoriestipendiat på PNNL.

    Forskare runt om i världen använder atomistiska datasimuleringar för att förklara nya vetenskapliga fenomen, tolka experimentella mätningar, förutsäga materialegenskaper och produkter av kemiska reaktioner, och designa nya molekylära system. NWChem och CP2K ger information som gör det möjligt för forskare att effektivt ställa in, kontrollera, och designa molekylära processer för önskade resultat.

    Forskare på PNNL använder resultaten från dessa paket i sitt eget arbete. De hjälper kemister att skapa effektivare katalysatorer; biologer studerar proteiner som omvandlar biomassa till bränsle; batteriforskare studerar jonöverföring i elektrolyter; och geokemister och miljöforskare avslöjar molekylära mekanismer i biogeokemiska transformationer.

    NWChem:exakta egenskaper för mark och exciterade tillstånd hos molekyler och material

    NWChem, även känd som NorthWest Chemistry, utvecklades först på 1990 -talet vid Environmental Molecular Sciences Laboratory, ett amerikanskt energidepartement, Office of Science användaranläggning på PNNL. Det utvecklades för att utnyttja kraften hos massivt parallella superdatorer.

    Koden har utvecklats för att köras på datoranläggningar och persondatorer. NWChem används nu i stor utsträckning vid universitet, andra nationella laboratorier, och datacenter runt om i världen.

    NWChem modellerar den elektroniska strukturen och dynamiken hos molekyler och kondenserade fassystem på olika nivåer av noggrannhet och detalj. Precisionen och detaljerna i de förutsägelser som produceras av NWChem gör det möjligt för forskare att förutsäga egenskaper och experimentella spektroskopiska signaler över ett brett spektrum av system, inklusive molekyler, nanostrukturer, fasta ämnen, och biomolekyler.

    CP2K:effektiva beräkningar för molekylära ensembler

    CP2K startade 2000, tillhandahålla effektiva modeller av elektronisk struktur för att simulera stora kemiska system i den kondenserade fasen för att belysa kollektivt beteende. Det utför atomistiska simuleringar av fast tillstånd, flytande, molekyl, periodisk, material, kristall, och biologiska system.

    Schenter beskriver CP2K som fickmultiverktyget för molekylära simuleringar eftersom det har ett brett utbud av funktioner i ett lättanvänt paket.

    Programvaran innehåller statistisk mekanik, vilket gör det användbart att fånga fenomen i den kollektiva dansen av molekylära ensembler. På grund av beräkningsflexibiliteten, CP2K används i stor utsträckning i beräkningskemiska samhället och är utformat med effektiva algoritmer som är nödvändiga för att studera heterogena kondenserade fassystem. Användare kan också enkelt ändra programvaran för att passa deras beräkningsbehov.

    På PNNL, NWChem har fått stöd från Basic Energy Sciences, Biologisk och miljöforskning, och avancerade vetenskapliga datorforskningsprogram, medan CP2K -utvecklingen har finansierats av programmet Basic Energy Sciences; alla dessa program finns i U.S. Department of Energy, Vetenskapsbyrån.

    Blickar framåt, PNNL planerar att fortsätta bygga vidare på sin långa historia av att utveckla mjukvaruverktyg som dessa för grundforskning.

    "PNNL -forskare har varit involverade i att utveckla mjukvaruverktyg för elektronisk strukturberäkning i årtionden, och verktygen har avancerat för att effektivt beskriva komplexa fenomen. Nu utvecklar vi paketen för att arbeta med alltmer realistiska system, "Sa Schenter.


    © Vetenskap https://sv.scienceaq.com