通过原子模拟的见解– PNNL

《化学物理学杂志》上最近的一期特刊着重介绍了西北太平洋国家实验室（PNNL）为开发两个杰出的开放源代码的软件包而做出的贡献，这些软件包供世界各地的科学家使用。

PNNL研究人员在开发称为NWChem和CP2K的软件包方面发挥了重要作用。这些程序提供了补充的方法来计算电子结构，这对于原子行为和化学键至关重要。

根据该特刊的摘要，“电子结构社区现在拥有种类繁多的软件包，可用于对分子和材料进行计算。”该武器库中包含NWChem和CP2K。

数十年来，计算化学家一直在努力开发有效解决方程的方法，这些方程描述了电子如何围绕原子运动，原子如何连接以形成分子以及电子如何响应刺激。解决这些方程通常需要复杂的计算，这会消耗计算时间和处理资源。计算化学家认真地开发和优化了电子结构算法，以使计算效率与足够准确的预测平衡，从而可以在现实环境中重建实际分子和材料系统中的观察结果。

PNNL的物理学家兼实验室研究员Greg Schenter说：“现在，理论，计算技术和处理器硬件都可以让研究人员定期使用这些软件包。”

世界各地的研究人员都使用原子计算机模拟来解释新的科学现象，解释实验测量结果，预测材料特性和化学反应的产物以及设计新的分子系统。 NWChem和CP2K提供的信息使科学家能够有效地调节，控制和设计分子过程以实现所需的结果。

PNNL的研究人员在自己的工作中使用了这些软件包的结果。它们帮助化学家创建更有效的催化剂。生物学家研究将生物量转化为燃料的蛋白质。电池研究人员研究电解质中的离子转移；地球化学家和环境科学家发现了生物地球化学转化的分子机制。

NWChem，也称为西北化学，是1990年代在美国能源部环境分子科学实验室（PNNL）的科学办公室用户设施中首次开发的。开发它是为了利用大型并行超级计算机的功能。

该代码已经演化为可以在计算设备和个人计算机上运行。 NWChem现在在世界各地的大学，其他国家实验室和计算机中心中得到广泛使用。

NWChem以不同的精确度和细节水平对分子和凝聚相系统的基态和激发态电子结构以及动力学进行建模。 NWChem产生的预测的精确度和细节使研究人员可以预测包括分子，纳米结构，固体和生物分子在内的各种系统的特性和实验光谱信号。

CP2K始于2000年，提供有效的电子结构模型来模拟处于浓缩阶段的大型化学系统，以阐明集体行为。它对固态，液态，分子，周期性，材料，晶体和生物系统进行原子模拟。

Schenter将CP2K描述为分子模拟的袖珍多功能工具，因为它在易于使用的程序包中具有广泛的功能。

该软件结合了统计机制，因此可以用来捕获分子合奏的集体舞中的现象。由于计算的灵活性，CP2K广泛用于计算化学领域，并设计有高效的算法，这些对于研究异相凝聚相系统是必需的。用户还可以轻松修改软件以适应他们的计算需求。

在PNNL，NWChem获得了基础能源科学，生物和环境研究以及高级科学计算研究计划的支持，而CP2K的开发则由基础能源科学计划提供了资金。所有这些程序都在美国能源部科学办公室进行。

展望未来，PNNL计划继续发展其为基础研究而开发的此类软件工具的悠久历史。 “ PNNL研究人员数十年来一直致力于开发用于电子结构计算的软件工具，并且这些工具已经能够有效地描述复杂现象。 现在，我们正在开发这些软件包，以使其与越来越现实的系统一起使用。” Schenter说。