Uma edição especial recente da Journal of Chemical Physics destaca as contribuições do Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) para o desenvolvimento de dois pacotes de software de código aberto proeminentes para química computacional usados ​​por cientistas em todo o mundo.

Os pesquisadores do PNNL foram fundamentais no desenvolvimento dos pacotes de software, chamado NWChem e CP2K. Esses programas oferecem abordagens complementares para calcular a estrutura eletrônica, que é fundamental para o comportamento atômico e ligações químicas.

De acordo com o resumo desta edição especial, "a comunidade de estrutura eletrônica agora tem um arsenal maravilhosamente diversificado de pacotes de software disponíveis para realizar cálculos em moléculas e materiais." NWChem e CP2K estão incluídos nesse arsenal.

Por décadas, químicos computacionais têm trabalhado para desenvolver maneiras de resolver efetivamente as equações que descrevem como os elétrons se movem em torno dos átomos, como os átomos se conectam para formar moléculas, e como os elétrons respondem aos estímulos. Resolver essas equações geralmente requer cálculos complexos que consomem tempo de computação e recursos de processamento. Químicos computacionais desenvolvem e otimizam cuidadosamente algoritmos de estrutura eletrônica para equilibrar a eficiência computacional com previsões precisas o suficiente para recriar observações em sistemas moleculares e materiais reais em ambientes realistas.

"Agora a teoria, técnicas computacionais, e o hardware do processador estão todos em um ponto em que os pesquisadores podem usar esses pacotes regularmente, "disse Greg Schenter, um físico e pesquisador de laboratório no PNNL.

Pesquisadores de todo o mundo usam simulações atomísticas de computador para explicar novos fenômenos científicos, interpretar medidas experimentais, prever propriedades de materiais e os produtos de reações químicas, e projetar novos sistemas moleculares. NWChem e CP2K fornecem informações que permitem aos cientistas sintonizar com eficiência, ao controle, e projetar processos moleculares para os resultados desejados.

Os pesquisadores do PNNL usam os resultados desses pacotes em seus próprios trabalhos. Eles ajudam os químicos a criar catalisadores mais eficientes; biólogos estudam proteínas que transformam biomassa em combustível; os pesquisadores da bateria estudam a transferência de íons em eletrólitos; e geoquímicos e cientistas ambientais descobrem mecanismos moleculares em transformações biogeoquímicas.

NWChem:propriedades precisas do solo e do estado excitado de moléculas e materiais

NWChem, também conhecido como NorthWest Chemistry, foi desenvolvido pela primeira vez na década de 1990 no Laboratório de Ciências Moleculares Ambientais, um Departamento de Energia dos EUA, Instalação de usuário do Office of Science no PNNL. Ele foi desenvolvido para aproveitar o poder de supercomputadores maciçamente paralelos.

O código evoluiu para ser executado em instalações de computação e computadores pessoais. NWChem agora é amplamente usado em universidades, outros laboratórios nacionais, e centros de informática em todo o mundo.

NWChem modela a estrutura eletrônica de estado fundamental e excitado e dinâmica de moléculas e sistemas de fase condensada em diferentes níveis de precisão e detalhe. A precisão e os detalhes das previsões produzidas pelo NWChem permitem aos pesquisadores prever propriedades e sinais espectroscópicos experimentais em uma ampla gama de sistemas, incluindo moléculas, nanoestruturas, sólidos, e biomoléculas.

CP2K:cálculos eficientes para conjuntos moleculares

CP2K teve seu início em 2000, fornecendo modelos eficientes de estrutura eletrônica para simular grandes sistemas químicos na fase condensada para elucidar o comportamento coletivo. Ele realiza simulações atomísticas de estado sólido, líquido, molecular, periódico, material, cristal, e sistemas biológicos.

Schenter descreve o CP2K como a multiferramenta de bolso das simulações moleculares porque possui uma ampla gama de recursos em um pacote fácil de usar.

O software incorpora mecânica estatística, o que o torna útil para capturar fenômenos na dança coletiva de conjuntos moleculares. Por causa da flexibilidade de cálculo, CP2K é amplamente utilizado na comunidade de química computacional e projetado com algoritmos eficientes que são necessários para o estudo de sistemas de fase condensada heterogêneos. Os usuários também podem modificar facilmente o software para atender às suas necessidades computacionais.

No PNNL, NWChem recebeu apoio das Ciências Básicas de Energia, Pesquisa Biológica e Ambiental, e programas de Pesquisa em Computação Científica Avançada, enquanto os desenvolvimentos do CP2K foram financiados pelo programa Basic Energy Sciences; todos esses programas estão no Departamento de Energia dos EUA, Escritório de Ciências.

Olhando para a frente, PNNL planeja continuar construindo em sua longa história de ferramentas de software avançadas como essas para pesquisa fundamental.

"Pesquisadores do PNNL estão envolvidos no desenvolvimento de ferramentas de software para cálculo de estrutura eletrônica há décadas, e as ferramentas avançaram para descrever fenômenos complexos com eficiência. Agora estamos desenvolvendo os pacotes para trabalhar com sistemas cada vez mais realistas, "Schenter disse.