Een recent speciaal nummer van de Tijdschrift voor Chemische Fysica benadrukt de bijdragen van Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) aan de ontwikkeling van twee prominente open-source softwarepakketten voor computationele chemie die door wetenschappers over de hele wereld worden gebruikt.

PNNL-onderzoekers hebben een belangrijke rol gespeeld bij het ontwikkelen van de softwarepakketten, genaamd NWChem en CP2K. Deze programma's bieden complementaire benaderingen voor het berekenen van elektronische structuur, wat fundamenteel is voor atomair gedrag en chemische binding.

Volgens de samenvatting van dit speciale nummer, "de elektronische structuurgemeenschap heeft nu een prachtig divers arsenaal aan softwarepakketten beschikbaar voor het uitvoeren van berekeningen aan moleculen en materialen." NWChem en CP2K maken deel uit van dat arsenaal.

Al decenia, computationele chemici hebben manieren ontwikkeld om vergelijkingen effectief op te lossen die beschrijven hoe elektronen rond atomen bewegen, hoe atomen verbinding maken om moleculen te maken, en hoe elektronen reageren op stimuli. Het oplossen van deze vergelijkingen vereist vaak complexe berekeningen die rekentijd en verwerkingsbronnen vergen. Computerchemici ontwikkelen en optimaliseren zorgvuldig elektronische structuuralgoritmen om de rekenefficiëntie in evenwicht te brengen met voorspellingen die nauwkeurig genoeg zijn om waarnemingen in werkelijke moleculaire en materiële systemen in realistische omgevingen te recreëren.

"Nu de theorie, rekenkundige technieken, en processorhardware bevinden zich allemaal op een punt waarop onderzoekers deze pakketten regelmatig kunnen gebruiken, " zei Greg Schenter, een natuurkundige en laboratoriummedewerker bij PNNL.

Onderzoekers over de hele wereld gebruiken atomistische computersimulaties om nieuwe wetenschappelijke fenomenen te verklaren, experimentele metingen interpreteren, materiaaleigenschappen en de producten van chemische reacties voorspellen, en ontwerp nieuwe moleculaire systemen. NWChem en CP2K bieden informatie waarmee wetenschappers efficiënt kunnen afstemmen, controle, en ontwerp moleculaire processen voor de gewenste resultaten.

Onderzoekers van PNNL gebruiken de resultaten van deze pakketten in hun eigen werk. Ze helpen scheikundigen efficiëntere katalysatoren te creëren; biologen bestuderen eiwitten die biomassa omzetten in brandstof; batterijonderzoekers bestuderen ionenoverdracht in elektrolyten; en geochemici en milieuwetenschappers ontdekken moleculaire mechanismen in biogeochemische transformaties.

NWChem:nauwkeurige grond- en aangeslagen toestand eigenschappen van moleculen en materialen

NWChem, ook bekend als NorthWest Chemistry, werd voor het eerst ontwikkeld in de jaren negentig in het Environmental Molecular Sciences Laboratory, een Amerikaanse ministerie van Energie, Office of Science gebruikersfaciliteit bij PNNL. Het is ontwikkeld om de kracht van massaal parallelle supercomputers te benutten.

De code is geëvolueerd om te draaien op computerfaciliteiten en personal computers. NWChem wordt nu veel gebruikt op universiteiten, andere nationale laboratoria, en computercentra over de hele wereld.

NWChem modelleert de grond- en aangeslagen toestand elektronische structuur en dynamica van moleculen en gecondenseerde-fasesystemen op verschillende niveaus van nauwkeurigheid en detail. De precisie en detail van de voorspellingen geproduceerd door NWChem stellen onderzoekers in staat om eigenschappen en experimentele spectroscopische signalen te voorspellen over een breed scala aan systemen, inclusief moleculen, nanostructuren, vaste stoffen, en biomoleculen.

CP2K:efficiënte berekeningen voor moleculaire ensembles

CP2K begon in 2000, het verstrekken van efficiënte modellen van elektronische structuur om grote chemische systemen in de gecondenseerde fase te simuleren om collectief gedrag op te helderen. Het voert atomistische simulaties uit van solid-state, vloeistof, moleculair, periodiek, materiaal, kristal, en biologische systemen.

Schenter beschrijft CP2K als de pocket-multitool voor moleculaire simulaties omdat het een breed scala aan mogelijkheden heeft in een gebruiksvriendelijk pakket.

De software bevat statistische mechanica, wat het nuttig maakt om fenomenen vast te leggen in de collectieve dans van moleculaire ensembles. Vanwege de rekenflexibiliteit, CP2K wordt veel gebruikt in de computationele chemiegemeenschap en is ontworpen met efficiënte algoritmen die nodig zijn voor de studie van heterogene gecondenseerde fasesystemen. Gebruikers kunnen de software ook eenvoudig aanpassen aan hun computerbehoeften.

Bij PNNL, NWChem heeft steun gekregen van de Basic Energy Sciences, Biologisch en milieuonderzoek, en Advanced Scientific Computing Research-programma's, terwijl CP2K-ontwikkelingen zijn gefinancierd door het Basic Energy Sciences-programma; al deze programma's zijn in het U.S. Department of Energy, Bureau van Wetenschap.

Vooruit kijken, PNNL is van plan voort te bouwen op haar lange geschiedenis van het ontwikkelen van dergelijke softwaretools voor fundamenteel onderzoek.

"PNNL-onderzoekers zijn al tientallen jaren betrokken bij het ontwikkelen van softwaretools voor elektronische structuurberekening, en de tools zijn gevorderd om complexe fenomenen efficiënt te beschrijven. Nu ontwikkelen we de pakketten om te werken met steeds realistischere systemen, ’ zei Schenter.