simulazioni atomistiche: studio di eventi rari e calcolo dell`energia

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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
CASPUR 2012
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 diretto 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 dissociazione di HF in un cluster di molecole d’acqua (HF(H2O)7) a 75 K. Sono anche illustrate le configurazioni medie corrispondenti 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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Collaborazioni
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 studiare fenomeni inaccessibili alle tecniche di simulazione standard. Ad esempio, è stato possibile 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 nanoparticles. J. Stat. Phys. 145, 812.
Fig. 2 Immagini delle configurazioni medie ad alcuni valori della coordinata collettiva lungo il percorso
di dissociazione di HF in HF(H2O)7. Le immagini 2, 3 e 4 mostrano che il processo di dissociazione
procede, inizialmente, con il movimento concertato di due atomi d’idrogeno. L’immagine 4 corrisponde
allo stato di transizione del processo, in cui è presente uno ione idronio (H3O+) ad una “distanza” di
due legami idrogeno dallo ione F-. Nella parte finale del processo di dissociazione questo ione idronio
si dissocia ed un nuovo ione idronio è formato ad una distanza di tre legami idrogeno da F-.
ANNUAL REPORT
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 multifunzionali per applicazioni nel campo dell’energia. Modellizzazione dei processi di cristallizzazione 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 decorate (C.M. Casciola, Univ. Sapienza, Roma).
Gruppo HPC
Scienza dei Materiali
Luca Ferraro
[email protected]
Mariella Ippolito
[email protected]
Simone Meloni
[email protected]
Mario Rosati
[email protected]
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