Un récent numéro spécial du Journal de physique chimique met en évidence les contributions du Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) au développement de deux progiciels open source de premier plan pour la chimie computationnelle utilisés par les scientifiques du monde entier.

Les chercheurs du PNNL ont joué un rôle déterminant dans le développement des progiciels, appelé NWchem et CP2K. Ces programmes offrent des approches complémentaires de calcul de structure électronique, qui est fondamental pour le comportement atomique et la liaison chimique.

D'après le résumé de ce numéro spécial, "La communauté des structures électroniques dispose désormais d'un arsenal merveilleusement diversifié de progiciels disponibles pour effectuer des calculs sur des molécules et des matériaux." NWChem et CP2K sont inclus dans cet arsenal.

Depuis des décennies, les chimistes informatiques ont travaillé pour développer des moyens de résoudre efficacement des équations qui décrivent comment les électrons se déplacent autour des atomes, comment les atomes se connectent pour former des molécules, et comment les électrons répondent aux stimuli. La résolution de ces équations nécessite souvent des calculs complexes qui consomment du temps de calcul et des ressources de traitement. Les chimistes informaticiens développent et optimisent soigneusement des algorithmes de structure électronique pour équilibrer l'efficacité informatique avec des prédictions suffisamment précises pour recréer des observations dans des systèmes moléculaires et matériels réels dans des environnements réalistes.

"Maintenant la théorie, techniques de calcul, et le matériel du processeur sont tous à un point où les chercheurs peuvent utiliser ces packages régulièrement, " a déclaré Greg Schenter, un physicien et chercheur de laboratoire au PNNL.

Des chercheurs du monde entier utilisent des simulations informatiques atomistiques pour expliquer de nouveaux phénomènes scientifiques, interpréter des mesures expérimentales, prédire les propriétés des matériaux et les produits des réactions chimiques, et concevoir de nouveaux systèmes moléculaires. NWChem et CP2K fournissent des informations qui permettent aux scientifiques de régler efficacement, contrôler, et concevoir des processus moléculaires pour les résultats souhaités.

Les chercheurs du PNNL utilisent les résultats de ces packages dans leur propre travail. Ils aident les chimistes à créer des catalyseurs plus efficaces; les biologistes étudient les protéines qui transforment la biomasse en carburant; les chercheurs sur les batteries étudient le transfert d'ions dans les électrolytes; et les géochimistes et les scientifiques de l'environnement découvrent des mécanismes moléculaires dans les transformations biogéochimiques.

NWchem :propriétés précises de l'état fondamental et excité des molécules et des matériaux

NWchem, également connu sous le nom de chimie du Nord-Ouest, a été développé pour la première fois dans les années 1990 au Laboratoire des sciences moléculaires de l'environnement, un département américain de l'Énergie, Installation des utilisateurs du Bureau des sciences au PNNL. Il a été développé pour exploiter la puissance des supercalculateurs massivement parallèles.

Le code a évolué pour fonctionner sur des installations informatiques et des ordinateurs personnels. NWchem est maintenant largement utilisé dans les universités, autres laboratoires nationaux, et des centres informatiques du monde entier.

NWchem modélise la structure et la dynamique électroniques de l'état fondamental et excité des molécules et des systèmes à phase condensée à différents niveaux de précision et de détail. La précision et le détail des prédictions produites par NWChem permettent aux chercheurs de prédire les propriétés et les signaux spectroscopiques expérimentaux sur une large gamme de systèmes, y compris les molécules, nanostructures, solides, et des biomolécules.

CP2K :des calculs efficaces pour des ensembles moléculaires

CP2K a débuté en 2000, fournir des modèles efficaces de structure électronique pour simuler de grands systèmes chimiques en phase condensée pour élucider le comportement collectif. Il effectue des simulations atomistiques de l'état solide, liquide, moléculaire, périodique, Matériel, cristal, et les systèmes biologiques.

Schenter décrit CP2K comme le multi-outil de poche des simulations moléculaires car il possède un large éventail de capacités dans un package facile à utiliser.

Le logiciel intègre la mécanique statistique, ce qui le rend utile pour capter des phénomènes dans la danse collective des ensembles moléculaires. En raison de la flexibilité de calcul, CP2K est largement utilisé dans la communauté de la chimie computationnelle et conçu avec des algorithmes efficaces qui sont nécessaires pour l'étude des systèmes de phases condensées hétérogènes. Les utilisateurs peuvent également facilement modifier le logiciel pour l'adapter à leurs besoins informatiques.

Au PNNL, NWchem a reçu le soutien des sciences fondamentales de l'énergie, Recherche biologique et environnementale, et les programmes de Recherche en Informatique Scientifique Avancée, tandis que les développements CP2K ont été financés par le programme Basic Energy Sciences; tous ces programmes sont dans le département américain de l'énergie, Bureau des sciences.

Regarder vers l'avant, Le PNNL prévoit de continuer à s'appuyer sur sa longue histoire de développement d'outils logiciels comme ceux-ci pour la recherche fondamentale.

« Les chercheurs du PNNL sont impliqués depuis des décennies dans le développement d'outils logiciels de calcul de structure électronique, et les outils ont évolué pour décrire efficacement des phénomènes complexes. Maintenant, nous faisons évoluer les packages pour travailler avec des systèmes de plus en plus réalistes, " a déclaré Schenter.