Пишу о своей жизни, науке и компьютерах.

Квантово-химические расчеты

18 декабря 2011, 13:58
Чтобы не ужасать читающих, я для начала поясню что такое квантово-химические расчеты. Как известно, все окружающие нас вещества состоят из малых частиц: молекул, атомов, протонов, электронов и еще целого зоопарка других. Для описания всего этого многообразия в начале XX века ученые развили аппарат квантовой механики. Основная идея которой заключается в использовании для чистых состояний волновых функций или матрицы плотности для смешанных, через которые можно вычислить плотность вероятности найти частицу в пространстве. Но так как системы составленные из названных выше частиц чрезвычайно сложные, решить уравнение Шредингера аналитически не представляется возможным.

Но сделав ряд допущений и упрощений можно перейти к довольно большой системе уравнений. Процедура перехода от настоящего уравнения Шредингера с гамильтонианами учитывающими все взаимодействия к более простой модели хорошо описана, например, в книжке «Теория строения молекул» Минкин В.И., Симкин Б.Я., Миняев Р.М.. Есть очень много литературы, которая поможет разобраться в этом переходе, но основные идеи в ней полностью совпадают. Таким образом вся задача сводится к расчетам на компьютере.

При помощи квантово-химических расчетов можно определять оптимальную геометрию системы, колебательные спектры, энергии основных состояний, термодинамические параметры (хотя одно из приближений приводит к тому, что ядра атомов не движутся, а следовательно температура равна абсолютному нулю), параметры электрических полей и распределения электронной плотности. Совместное использование расчетов и экспериментальных методов приводит к получению новых данных и позволяет проверить или объяснить результаты экспериментов. Также есть куча программного обеспечения, при помощи которого можно запросто сделать такие картинки, как ниже, а если нарисовать еще и поверхности с отражением на них, например, частичных зарядов, то получится очень красивая и наглядная иллюстрация к какому-нибудь учебнику.


Программное обеспечение непосредственно для расчетов можно найти как платное, так и бесплатное. Все зависит от возможностей исследователя. Из платного ПО я отмечу Gaussian, а из бесплатного Firefly, потому что с ними я работал и даже напишу позже что-нибудь про то, как это делать. Gaussian стоит очень дорого, но к счастью, СПбГУ купил лицензию хотя бы на старую версию. Обе программы распараллелены и могут запускаться на суперкомпьютерах. Высокая производительность расчетов очень важна для ученых, потому что большие системы или высокая точность влекут за собой большой объем вычислений. Они могут занимать несколько месяцев компьютерного времени на большом количестве процессоров. Такое время намного лучше, чем годами считать на обычном компьютере.

Я занимаюсь растворами простейших аминокислот и применяю КХ-расчеты для определения микроструктуры и параметров электрических полей. Из градиентов полей в местоположениях молекул воды можно определить параметры взаимодействий, которые будут задавать поведение водного окружения.
4 комментария
Тастанбеков Диас
А реально все процессы разделить между большим количеством компьютеров? Т. е. не имея одного суперкомпьютера, использовать множество простых? (Распределённая система? Кластеризация?) Если да, то выходит, что нужны высокоскоростные каналы связи что ли?
Севастьян Рабдано
Процессы легко разделяются на любое количество компьютеров с любым уровнем вычислительной мощности при помощи библиотек параллельного программирования, которые могут быть установлены на любой компьютер. Например mpich2 или openmp. Для каждой конкретной параллельной задачи нужно смотреть что влияет на скорость ее выполнения сильнее. Не всегда это производительность отдельных узлов. Часто бывает, что скорость обмена информацией между узлами оказывается решающей. На кластере в Петергофе, на котором я считаю, обмен данными между узлами производится по Infinite Band (20 Гбит/с), но иногда считать на 4-х ядерном процессоре в одном физическом компьютере получается быстрее, чем на 4-х разделенных физически ядрах имеющих между собой связь 20 Гбит/с. Нужно смотреть насколько «большая» задача, хорошо ли она может быть распараллелена.
Тастанбеков Диас
Спасибо за ответ!
Я, как только конкретизирую свою задачу, задам конкретный вопрос. А пока всё более или менее ясно.
Дмитрий
А как рассчитывать энергию связей с помощью Firefly?
Севастьян Рабдано
Если есть молекула водорода, например, то можно посчитать отдельно энергию атома водорода и молекулы водорода. Энергия связи будет равна разности: E(bond) = E(H2) — 2 * E(H). Это идейная часть.

Если нужна практическая, то можно посмотреть примеры в какой-нибудь книжке. Посоветую «Неэмперические расчеты молекул» (Сизова, Панин).
Эрназарова Бактыгуль
Здравствуйте. я хотела делать квантово химический расчет новых органических соединений
Популярное