Genauere Computersimulationen für größere molekulare Systeme

Die Entwicklungen des EU-finanzierten LCC-Projekts leiten eine neue Ära genauer Quantenberechnungen zu großen molekularen Systemen wie Nanopartikeln und Proteinen ein.

Grundlagenforschung

Im Laufe der letzten drei Jahrzehnte ist es immer gängiger geworden, verschiedene makroskopische chemische Phänomene und Reaktionsmechanismen hinsichtlich spezifischer inter- und intramolekularer Wechselwirkungen zu interpretieren. Dies gilt heute nicht mehr nur für die klassischen Bereiche Physik und Chemie, sondern auch für solche modernen Gebiete der Naturwissenschaften wie Molekularbiologie und Nanotechnologie. So ist die Quantenchemie oder die Anwendung der Quantenmechanik auf molekulare Systeme und Phänomene zu einem integralen Werkzeug für alle chemischen, biologischen und materiellen Wissenschaften geworden. Neben qualitativen Informationen über Moleküle und deren unterschiedlichen Wechselwirkungen kann die moderne Quantenchemie auch ein tieferes Verständnis molekularer Prozesse liefern, die nicht allein aus solchen experimentellen Arbeiten wie etwa zu schwer fassbaren chemischen Reaktionszwischenprodukten abgeleitet werden können. "Der Großteil der experimentellen Ergebnisse wird durch moderne Rechenarbeit unterstützt, und die Theorie wird heute mehr denn je als Apparat genutzt, um künftige experimentelle Arbeiten in der medizinischen Industrie und in den Materialwissenschaften zu lenken und zu leiten", sagt Poul Jorgensen, ein Forscher des EU-finanzierten Projekts LCC. "Infolgedessen wünschen sich nicht nur akademische Forscher genaue Computersimulationen zu immer größeren molekularen Systemen, sondern auch verschiedene industrielle Forschungslabors." Allerdings sieht Jorgensen ein Problem darin, dass der Berechnungsaufwand mit der Größe des molekularen Systems dramatisch zunimmt, wenn eine immer größere Genauigkeit gefordert wird. "Um dieses Rechenproblem zu umgehen, wurden sogenannte lokale Korrelationsmethoden entwickelt. Diese beschreiben die grundlegenden repulsiven Wechselwirkungen zwischen einzelnen Elektronen in spezifisch räumlich lokaler Weise und nicht auf die typisch delokalisierte, kanonische Weise", erklärt er. Verbesserung des LSDalton-Codes Jorgensen war Teil des Forschungsteams, das den Quantenchemie-Code namens LSDalton entwickelte – ein massiv paralleles und lineares Skalierungsprogramm, das für die genaue Bestimmung von Energien und anderen molekularen Eigenschaften für große molekulare Systeme verwendet wird. Jetzt haben Jorgensen und sein Team im Rahmen des LCC-Projekts den LSDalton-Code weiterentwickelt. "Das übergeordnete Ziel dieses Projekts bestand darin, Cluster-Methoden zu erhalten, die linear mit der Systemgröße skalieren und bei denen die Berechnungen massiv parallel sind, so dass Berechnungen für kleine und große molekulare Systeme die gleiche Rechenzeit benötigen", sagt Jorgensen. Der Schlüssel zur Erreichung dieses Ziels war es, die gekoppelte Clusterwellen-Funktion auf Basis lokaler Hartree-Fock (HF)-Orbitalen auszudrücken. "Wir konnten erfolgreich zeigen, wie eine solche lokale HF-Basis erreicht werden kann, und haben beschrieben, wie man linear-skalierende, massiv parallel gekoppelte Cluster-Energien erhalten kann", erklärt Jorgensen. "Auf verschiedenen Ebenen der Theorie zu gekoppelten Clustern haben wir effiziente, massiv parallele Berechnungen für die Energie und den molekularen Gradienten durchgeführt. In Zukunft wird die gleiche Technologie auch für übergeordnete gekoppelte Cluster-Methoden angewendet, um nicht nur die Energie und den Gradienten von großen Molekülen zu erhalten, sondern auch andere molekulare Eigenschaften wie etwa Anregungsenergien und Übergangsmomente, nukleare Abschirmung, Polarisierbarkeit und elektronischer und vibrationskreisförmiger Dichroismus. Eine neue Ära für Quantenberechnungen Die Entwicklungen des LCC-Projekts leiten eine neue Ära genauer Quantenberechnungen zu großen molekularen Systemen wie Nanopartikeln und Proteinen ein. "Die verbesserte Performance kann allen Bereichen der Molekularwissenschaft und der Technik zugutekommen, indem sowohl die maximal zu simulierende molekulare Systemgröße als auch die Gesamtgenauigkeit erhöht werden können", hebt Jorgensen hervor. Die Entwicklungen sind besonders interessant im Zusammenhang mit Supercomputern, wo der Zeithorizont für eine Lösung das wichtigste Maß ist und das LSDalton-Programm effizient genutzt werden kann. Im Oak Ridge National Laboratory (ORNL) in den USA, wo einer der größten Supercomputer, TITAN, steht und der weltweit größte Supercomputer SUMMIT in etwa einem Jahr in Betrieb genommen werden soll, hat man dies bereits erkannt. Hier wurde LSDalton erfolgreich eingesetzt, um extrem große Korrelationsberechnungen auf TITAN durchzuführen. "Das LSDalton-Programm wird nun im ORNL weiterentwickelt und bald bereit sein, neue anspruchsvolle Anwendungen auf SUMMIT zu übernehmen, z.B. zu Kohlenstoff-Nanoröhrchen, Graphen sowie zur bevorzugten Kristallform organischer Moleküle", sagt Jorgensen.

Schlüsselbegriffe

LCC, Europäische Union, EU, LSDalton, Supercomputer, Quantenchemie

Coupled Cluster Calculations on Large Molecular Systems

Genauere Computersimulationen für größere molekulare Systeme

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