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Nuevos métodos y algoritmos para realizar simulaciones informáticas atomísticas

Gracias a una investigación financiada por la Unión Europea, los cálculos mecanicocuánticos de espectros ópticos son más eficientes y rápidos que nunca.
Nuevos métodos y algoritmos para realizar simulaciones informáticas atomísticas
Durante los dos últimos decenios, los métodos de respuesta lineal basados en densidad funcional han sido un estándar para el cálculo de las propiedades ópticas de moléculas de tamaños pequeños y medianos. Estos métodos se basan en la ecuación de autovalor en el espacio de solución de transiciones orbitales únicas.

El problema de esta solución reside en que para moléculas de mayor tamaño los cálculos necesarios son bien enormes, bien inviables. Esto se aprecia en mayor medida en el caso de delimitación ajustada basada en el funcional de la densidad dependiente del tiempo (TD-DFTB), donde la evaluación de los elementos de la matriz no resulta costosa. En los sistemas relativamente grandes que pueden estudiarse, la solución de la ecuación de autovalor determina el coste del cálculo.

Para resolver este problema, el proyecto financiado con fondos europeos PROPAGATE empleó truncamiento basado en fuerza de oscilador del espacio de transiciones orbitales únicas para reducir el esfuerzo de computación de los cálculos de absorción de espectros basados en TR-DFTB.

Nuevos métodos de estudio

Los investigadores de PROPAGATE se propusieron crear métodos avanzados para los primeros principios de simulaciones informáticas atomistas y su aplicación a temas de importancia ambiental como la nanotecnología o la biofísica. «Queríamos mostrar que incluso un truncamiento considerable no destruye las características principales del espectro de absorción al tiempo que evita los cálculos innecesarios de las excitaciones con pocas potencias de oscilador», explica el coordinador del proyecto Thomas Heine. «Defendemos que el reducido coste de computación de TD-DFTB en función de la intensidad en conjunción con su facilidad de uso en comparación con otros métodos facilita la ejecución de cálculos de propiedades ópticas de moléculas grandes y puede servir para posibilitar dichos cálculos en una gama más amplia de aplicaciones».

Durante la investigación realizada en el proyecto se desarrollaron métodos que permiten estudiar las dinámicas moleculares de primeros principios de estados base, termoexcitados y fotoexcitados así como la ejecución de simulaciones ampliadas mediante métodos híbridos que combinan mecánica cuántica y clásica. Estos métodos se utilizaron acto seguido en dos aplicaciones en los campos de la nanotecnología y la biofísica para estudiar la solubilidad y la formación a alta temperatura de heteropartículas de óxido metálico.

«La tecnología informática ha cobrado complejidad tanto en cuanto a software como hardware y los usuarios dan por hecho que se les brindará una interfaz de usuario gráfica de usuario sencilla», explica Heine. Para mantenernos a la altura de los estándares de software actuales, utilizamos una combinación de scripts modernos (Python) con lenguaje Fortran tradicional. En cuanto al desarrollo del hardware, un ámbito para el que la potencia de cada CPU ha aumentado lentamente durante los últimos años, se tuvo que aplicar un paradigma de implementación completamente en paralelo. «Como resultado obtuvimos un software que puede controlarse por interfaz gráfica de usuario, pero también una versión de línea de comandos que permite ejecutar scripts y procesar los resultados de forma automática», añade Heine.

Cálculos más eficaces

El producto de esta investigación ha sido el desarrollo de métodos y algoritmos nuevos dedicados a simulaciones informáticas atomistas de procesos dinámicos en sistemas en nanoescala a nivel mecanicocuántico. Estos métodos y algoritmos se han incluido en ADF Modelling Suite, un paquete de software científico moderno listo para su comercialización. «Gracias a PROPAGATE, los cálculos mecanicocuánticos de espectros ópticos son más eficientes, rápidos y accesibles al estudio», concluye Heine.

Además, el proyecto también desarrolló software para el diseño asistido por ordenador de compuestos marco molecular como marcos metalorgánicos (MOF) y marcos orgánicocovalentes (COF), materiales muy prometedores compuestos por moléculas individuales.

Palabras clave

PROPAGATE, cálculos mecanicocuánticos, ecuación de autovalor, delimitación ajustada basada en el funcional de la densidad dependiente del tiempo (TD-DFTB), simulaciones informáticas atomísticas, nanotecnología, biofísica
Número de registro: 197374 / Última actualización el: 2017-04-18
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