Superpočítání pro průmysl www.it4i.cz

Molekulové simulace

Obor molekulových simulací zahrnuje teoretické a/nebo výpočetní metody pro modelování fyzikálních a chemických vlastností molekul a jejich soustav pomocí výpočetních přístupů. Ty se přirozeně dělí do dvou skupin, a to na metody molekulární dynamiky a metody Monte Carlo. První jsou založeny na numerickém řešení dynamických pohybových rovnic systému, druhé používají souborové přístupy statistické fyziky. S oblastí molekulárních simulací je také úzce spojeno několik dalších výpočetních oborů, například optimalizace molekulových struktur nebo modelování interakcí.

Neadiabatická molekulová dynamika

Metody molekulové dynamiky jsou založeny na numerické integraci soustavy dynamických pohybových rovnic pro reprezentativní sadu počátečních podmínek a na použití získaných trajektorií v navazujících výpočtech vlastností studovaného systému. Obvykle jsou elektronické stupně volnosti zahrnuty pomocí adiabatické nadplochy potenciální energie a přeskoky mezi různými elektronovými stavy nejsou brány v úvahu. To ale může být příliš silné omezení v mnoha zajímavých situacích, dobře známými příklady jsou fotochemie a vysokoenergetické srážky. Jestliže mají být zahrnuty elektronové přeskoky, je nutné použít metody neadiabatické molekulové dynamiky. V současnosti je využívána zejména výpočetně schůdná kombinace klasických pohybových rovnic pro atomová jádra a kvantové Schrödingerovy rovnice pro elektrony. V naší práci používáme jeden z těchto semiklasických přístupů, Ehrenfestovu metodu středního pole se zahrnutím kvantové dekoherence, pro simulace neadiabatických procesů v iontových klastrech vzácných plynů. Konkrétní směry našeho výzkumu v této oblasti jsou například, postexcitační dynamika iontových klastrů vzácných plynů a dynamika elementárních srážkových procesů v plazmatech vzácných plynů.

Klasické metody Monte Carlo

Klasické metody Monte Carlo využívají aparát Markovových řetězců ve výpočetních implementacích souborových metod klasické statistické fyziky. Hlavní těžiště naší práce spočívá v paralelní implementaci sofistikovaných přístupů se zrychlenou konvergencí, jako jsou například algoritmy parallel-tempering a multiple-histograms. Jeden z cílů naší práce spočívá v paralelizaci těchto výpočtů a v propojení našich simulačních programů s metodami kvantové chemie pro výpočet elektronové struktury. V současné době představují hlavní předmět našeho výzkumu molekulové klastry (klastry vody s příměsí).

Kvantové metody Monte Carlo

Metody Monte Carlo jsou, mimo jiné, vhodné pro numerické řešení stacionární Schrödingerovy rovnice pro systémy mnoha bosonů (a po jistých úpravách i pro fermiony). Mohou být použity například při výpočtu vícerozměrných integrálů ve variačním teorému (variační Monte Carlo), v simulaci relaxace vícečásticové vlnové funkce do základního stavu napodobováním difúze v imaginárním čase (difúzní Monte Carlo), nebo tak,, že se použije přistup Feynmanových dráhových integrálů k vyhodnocení kvantových souborových středních hodnot pomocí klasických metod Monte Carlo (path-intergal Monte Carlo). V naší práci se první dva přístupy používají ke studiu vlastností vybraných atomových klastrů při nulové teplotě a poslední přístup pro simulace při nenulových teplotách. Hlavní pozornost je v současnosti věnována ionizovaným klastrům helia.

Globální a lokální optimalizační metody pro předpovědi molekulárních struktur

Prvním krokem k pochopení fyzikálních a chemických vlastností molekulových systémů obvykle je určení jejich geometrické struktury. To znamená, že jsou hledána globální a lokální minima (strukturní izomery) a sedlové body (přechodové struktury) na (zpravidla) základní energetické nadploše. Minima nám poskytují alespoň kvalitativní informace o tom, jak se systém bude chovat za ne příliš vysokých teplot, sedlové body pak určitou představu o přechodech mezi různými strukturálními izomery systému. V naší práci používáme pro strukturní výpočty stochastické algoritmy,  například genetické algoritmy, algoritmy hejnové inteligence, simulované žíhání či metodu basin-hopping.

Stránky podskupiny Molekulová dynamika.

Partneři