Un número especial reciente de la Revista de física química destaca las contribuciones del Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) al desarrollo de dos prominentes paquetes de software de código abierto para la química computacional utilizados por científicos de todo el mundo.

Los investigadores de PNNL han sido fundamentales en el desarrollo de paquetes de software, llamado NWChem y CP2K. Estos programas ofrecen enfoques complementarios para calcular la estructura electrónica, que es fundamental para el comportamiento atómico y los enlaces químicos.

Según el resumen de este número especial, "La comunidad de estructuras electrónicas ahora tiene un arsenal maravillosamente diverso de paquetes de software disponibles para realizar cálculos en moléculas y materiales". NWChem y CP2K están incluidos en ese arsenal.

Por décadas, Los químicos computacionales han estado trabajando para desarrollar formas de resolver eficazmente ecuaciones que describan cómo se mueven los electrones alrededor de los átomos. cómo se conectan los átomos para formar moléculas, y cómo responden los electrones a los estímulos. Resolver estas ecuaciones a menudo requiere cálculos complejos que consumen tiempo de cálculo y recursos de procesamiento. Los químicos computacionales desarrollan y optimizan cuidadosamente algoritmos de estructura electrónica para equilibrar la eficiencia computacional con predicciones lo suficientemente precisas como para recrear observaciones en sistemas moleculares y de materiales reales en entornos realistas.

"Ahora la teoría, técnicas computacionales, y el hardware del procesador están en un punto en el que los investigadores pueden usar estos paquetes con regularidad, "dijo Greg Schenter, físico y miembro de laboratorio de la PNNL.

Investigadores de todo el mundo utilizan simulaciones informáticas atomísticas para explicar nuevos fenómenos científicos, interpretar medidas experimentales, predecir las propiedades de los materiales y los productos de reacciones químicas, y diseñar nuevos sistemas moleculares. NWChem y CP2K proporcionan información que permite a los científicos sintonizar de manera eficiente, control, y diseñar procesos moleculares para los resultados deseados.

Los investigadores de PNNL utilizan los resultados de estos paquetes en su propio trabajo. Ayudan a los químicos a crear catalizadores más eficientes; los biólogos estudian proteínas que transforman la biomasa en combustible; los investigadores de baterías estudian la transferencia de iones en los electrolitos; y los geoquímicos y científicos ambientales descubren mecanismos moleculares en las transformaciones biogeoquímicas.

NWChem:propiedades precisas de suelo y estado excitado de moléculas y materiales

NWChem, también conocido como NorthWest Chemistry, se desarrolló por primera vez en la década de 1990 en el Laboratorio de Ciencias Moleculares Ambientales, un Departamento de Energía de EE. UU., Instalaciones para usuarios de la Oficina de Ciencias en PNNL. Fue desarrollado para aprovechar el poder de supercomputadoras masivamente paralelas.

El código ha evolucionado para ejecutarse en instalaciones informáticas y computadoras personales. NWChem ahora se usa ampliamente en universidades, otros laboratorios nacionales, y centros informáticos de todo el mundo.

NWChem modela la dinámica y la estructura electrónica de estado excitado y base de moléculas y sistemas de fase condensada con diferentes niveles de precisión y detalle. La precisión y el detalle de las predicciones producidas por NWChem permiten a los investigadores predecir propiedades y señales espectroscópicas experimentales en una amplia gama de sistemas. incluyendo moléculas, nanoestructuras, sólidos y biomoléculas.

CP2K:cálculos eficientes para conjuntos moleculares

CP2K tuvo su inicio en 2000, proporcionando modelos eficientes de estructura electrónica para simular grandes sistemas químicos en la fase condensada para dilucidar el comportamiento colectivo. Realiza simulaciones atomísticas de estado sólido, líquido, molecular, periódico, material, cristal, y sistemas biológicos.

Schenter describe CP2K como la multiherramienta de bolsillo de las simulaciones moleculares porque tiene una amplia gama de capacidades en un paquete fácil de usar.

El software incorpora mecánica estadística, lo que lo hace útil para capturar fenómenos en la danza colectiva de conjuntos moleculares. Debido a la flexibilidad de cálculo, CP2K se usa ampliamente en la comunidad de la química computacional y está diseñado con algoritmos eficientes que son necesarios para el estudio de sistemas heterogéneos de fase condensada. Los usuarios también pueden modificar fácilmente el software para adaptarlo a sus necesidades computacionales.

En PNNL, NWChem ha recibido el apoyo de las Ciencias Básicas de la Energía, Investigación biológica y ambiental, y programas de Investigación en Computación Científica Avanzada, mientras que los desarrollos de CP2K han sido financiados por el programa de Ciencias Energéticas Básicas; todos estos programas se encuentran en el Departamento de Energía de EE. UU., Oficina de Ciencias.

Mirando hacia el futuro, PNNL planea continuar construyendo sobre su larga historia de avances en herramientas de software como estas para la investigación fundamental.

"Los investigadores de PNNL han estado involucrados en el desarrollo de herramientas de software para el cálculo de estructuras electrónicas durante décadas, y las herramientas han avanzado para describir de manera eficiente fenómenos complejos. Ahora estamos evolucionando los paquetes para trabajar con sistemas cada vez más realistas, "Dijo Schenter.