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IMULAZIONI ATOMISTICHE: STUDIO
DI EVENTI RARI E CALCOLO DELL’ENERGIA LIBERA
Le simulazioni di Dinamica Molecolare e Monte Carlo, classiche e quantistiche, hanno permesso di studiare interessanti fenomeni in molti campi scientifici, come ad esempio la chimica, la fisica, la biologia o la scienza dei materiali. Uno dei limiti dell’applicazione di queste tecniche allo studio di fenomeni nuovi e più complessi è rappresentato dal fatto che, anche con gli attuali supercomputer, è possibile raggiungere al più la scala dei tempi dei microsecondi (solo per le simulazioni classiche), mentre molti processi interessanti accadono su scale di tempi dei secondi, minuti, ore, giorni o più. Per affrontare questi problemi non basta affidarsi alla sola evoluzione dell’hardware: si debbono coprire diversi ordini di grandezza nella scala di tempi tra quelli accessibili alle simulazioni di “forza bruta” e i tempi fisici dei fenomeni interessanti. In tale contesto il Gruppo di Scienza dei Materiali del CASPUR sta partecipando allo sviluppo e implementazione di nuovi metodi per studiare queste classi di fenomeni.Offerta
I metodi che sono stati sviluppati in collaborazione con esperti internazionalmente riconosciuti sono oggi implementati nella suite di codici CMSApi/CMPTool, sviluppati, mantenuti e distribuiti con licenza open source dal CASPUR (https://cmsportal.caspur.it). Il gruppo partecipa inoltre all’implementazione di tali metodi in codici di comunità, come CP2K e LAMMPS e svolge attività di supporto alla ricerca sia attraverso il coinvolgimento di-retto in progetti scientifici sia implementando le tecniche di accelerazione della dinamica per la simulazione di eventi rari e per il calcolo dell’energia libera.
Fig. 1 Profili di energia interna (nero) ed energia libera (rosso) vs Z (valori della coordinate collettive) del processo di dis-sociazione di HF in un cluster di molecole d’acqua (HF(H2O)7) a 75 K. Sono anche illustrate le configurazioni medie cor-rispondenti ai punti stazionari del profilo di energia libera. Confrontando le curve di energia interna ed energia libera possiamo notare che, per questo sistema, il contributo entropico è rilevante anche a bassissime temperature.
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Gruppo HPC Scienza dei Materiali
Luca Ferraro l.ferraro@caspur.it Mariella Ippolito m.ippolito@caspur.it Simone Meloni s.meloni@caspur.it Mario Rosati m.rosati@caspur.it
Collaborazioni
I progetti più importanti nell’ambito delle simulazioni di eventi rari sono svolti nel campo delle simulazioni con metodi di accelerazione del campionamento dello spazio delle coordinate collettive. Tra questi, è possibile citare:
• Il progetto FIRB Futuro in Ricerca 2010, intitolato Clatrati idrati e non idrati: materiali mul-tifunzionali per applicazioni nel campo dell’energia. Modellizzazione dei processi di cristal-lizzazione e diffusione legati alla loro applicazione tecnologica e guidato da una giovane ricercatrice del Consorzio (M. Ippolito).
• Tre progetti riguardanti la nucleazione di clatrati idrati, la struttura di membrane di nafion e la dissociazione di acidi in sistemi confinati (G. Ciccotti, Univ. Sapienza, Roma, S. Meloni, Univ. College Dublin).
• Lo studio della transizione Cassie-Wenzel in sistemi liquidi che fluiscono su superfici deco-rate (C.M. Casciola, Univ. Sapienza, Roma).
Risultati
La partecipazione allo sviluppo e all’implementazione, nei codici del gruppo e in codici di comunità (e.g. CP2K, LAMMPS), di metodi per lo studio di eventi rari ha permesso di stu-diare fenomeni inaccessibili alle tecniche di simulazione standard. Ad esempio, è stato pos-sibile identificare alcuni meccanismi di migrazione di vacanze in cristalli a bassa dimensionalità – 2D (S. Meloni, Univ. College Dublin, P.A. Geslin, CNRS, Paris, G. Ciccotti, Univ. Sapienza, Roma, E. Vanden-Eijnden, Courant Institute New York University) e i composti intermedi formati durante il processo di deidrogenazione dell’Alanato di sodio, un materiale usato per lo stoccaggio di idrogeno a stato solido (F. Sterpone, CNRS-Paris, S. Bonella, Univ. Sapienza, Roma, S. Meloni, Univ. College Dublin).
Bibliografia essenziale
E. Vanden Eijnden, J., (2009). Comput. Chem. 30, 1737-1747.
Orlandini, S., Meloni, S., Ciccotti, G., (2011). Combining rare events techniques: phase change in Si na-noparticles. J. Stat. Phys. 145, 812.
