Un recente numero speciale del Giornale di Fisica Chimica mette in evidenza i contributi del Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) allo sviluppo di due importanti pacchetti software open source per la chimica computazionale utilizzati dagli scienziati di tutto il mondo.

I ricercatori del PNNL sono stati determinanti nello sviluppo dei pacchetti software, chiamato NWChem e CP2K. Questi programmi offrono approcci complementari al calcolo della struttura elettronica, che è fondamentale per il comportamento atomico e il legame chimico.

Secondo l'abstract di questo numero speciale, "La comunità delle strutture elettroniche ora ha un arsenale meravigliosamente diversificato di pacchetti software disponibili per eseguire calcoli su molecole e materiali". NWChem e CP2K sono inclusi in quell'arsenale.

Per decenni, i chimici computazionali hanno lavorato per sviluppare modi per risolvere efficacemente equazioni che descrivono come gli elettroni si muovono attorno agli atomi, come gli atomi si connettono per formare le molecole, e come gli elettroni rispondono agli stimoli. La risoluzione di queste equazioni richiede spesso calcoli complessi che consumano tempo di elaborazione e risorse di elaborazione. I chimici computazionali sviluppano e ottimizzano attentamente algoritmi di struttura elettronica per bilanciare l'efficienza computazionale con previsioni sufficientemente accurate da ricreare osservazioni in sistemi molecolari e materiali reali in ambienti realistici.

"Ora la teoria, tecniche di calcolo, e l'hardware del processore sono tutti a un punto in cui i ricercatori possono utilizzare questi pacchetti regolarmente, " ha detto Greg Schenter, un fisico e borsista di laboratorio al PNNL.

I ricercatori di tutto il mondo utilizzano simulazioni atomistiche al computer per spiegare nuovi fenomeni scientifici, interpretare le misurazioni sperimentali, prevedere le proprietà dei materiali e i prodotti delle reazioni chimiche, e progettare nuovi sistemi molecolari. NWChem e CP2K forniscono informazioni che consentono agli scienziati di sintonizzare in modo efficiente, controllo, e progettare processi molecolari per i risultati desiderati.

I ricercatori del PNNL utilizzano i risultati di questi pacchetti nel proprio lavoro. Aiutano i chimici a creare catalizzatori più efficienti; i biologi studiano le proteine ​​che trasformano la biomassa in combustibile; i ricercatori delle batterie studiano il trasferimento di ioni negli elettroliti; e geochimici e scienziati ambientali scoprono meccanismi molecolari nelle trasformazioni biogeochimiche.

NWChem:accurate proprietà fondamentali e allo stato eccitato di molecole e materiali

NWCem, noto anche come Chimica del Nord Ovest, è stato sviluppato per la prima volta negli anni '90 presso il Laboratorio di Scienze Molecolari Ambientali, un Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti, Struttura per gli utenti dell'Office of Science al PNNL. È stato sviluppato per sfruttare la potenza di supercomputer massivamente paralleli.

Il codice si è evoluto per essere eseguito su strutture informatiche e personal computer. NWChem è ora ampiamente utilizzato nelle università, altri laboratori nazionali, e centri informatici in tutto il mondo.

NWChem modella la struttura elettronica e la dinamica dello stato eccitato e fondamentale delle molecole e dei sistemi in fase condensata a diversi livelli di accuratezza e dettaglio. La precisione e il dettaglio delle previsioni prodotte da NWChem consentono ai ricercatori di prevedere proprietà e segnali spettroscopici sperimentali su un'ampia gamma di sistemi, comprese le molecole, nanostrutture, solidi, e biomolecole.

CP2K:calcoli efficienti per insiemi molecolari

CP2K ha avuto il suo inizio nel 2000, fornendo modelli efficienti di struttura elettronica per simulare grandi sistemi chimici in fase condensata per chiarire il comportamento collettivo. Esegue simulazioni atomistiche di stato solido, liquido, molecolare, periodico, Materiale, cristallo, e sistemi biologici.

Schenter descrive CP2K come il multi-strumento tascabile delle simulazioni molecolari perché ha un'ampia gamma di funzionalità in un pacchetto facile da usare.

Il software incorpora la meccanica statistica, il che rende utile catturare fenomeni nella danza collettiva di insiemi molecolari. A causa della flessibilità di calcolo, CP2K è ampiamente utilizzato nella comunità della chimica computazionale e progettato con algoritmi efficienti necessari per lo studio di sistemi eterogenei in fase condensata. Gli utenti possono anche modificare facilmente il software in base alle proprie esigenze di calcolo.

Al PNNL, NWChem ha ricevuto il sostegno delle Scienze Energetiche di Base, Ricerca biologica e ambientale, e programmi di ricerca informatica scientifica avanzata, mentre gli sviluppi di CP2K sono stati finanziati dal programma Basic Energy Sciences; tutti questi programmi sono nel Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti, Ufficio della Scienza.

Guardando avanti, PNNL prevede di continuare a costruire sulla sua lunga storia di avanzamento di strumenti software come questi per la ricerca fondamentale.

"Da decenni i ricercatori del PNNL sono coinvolti nello sviluppo di strumenti software per il calcolo di strutture elettroniche, e gli strumenti sono avanzati per descrivere in modo efficiente fenomeni complessi. Ora stiamo evolvendo i pacchetti per lavorare con sistemi sempre più realistici, " ha detto Schenter.