znanost 26.10.2017 10:30

Slovenski znanstveniki z izboljšavo računskih metod naredili premik na področju računalniških simulacij gibanja molekul

Ljubljana, 26. oktobra - Znanstveniki Kemijskega inštituta so razvili nove računalniške simulacijske metode, ki bistveno razširjajo domet simulacij gibanja molekul v mehkih snoveh, kot so denimo tekoči kristali, polimeri in koloidi. Po besedah znanstvenika Mateja Praprotnika dosežek predstavlja premik na področju računalniških simulacij gibanja molekul, nove metode pa bi lahko imele pomembno vlogo pri razvoju nanotehnologij.

Ljubljana, Kemijski inštitut.
Intervju z raziskovalcem na Kemijskem inštitutu Matejem Praprotnikom.
Foto: Anže Malovrh/STA

Ljubljana, Kemijski inštitut.
Intervju z raziskovalcem na Kemijskem inštitutu Matejem Praprotnikom.
Foto: Anže Malovrh/STA

Ljubljana, Kemijski inštitut.
Intervju z raziskovalcem na Kemijskem inštitutu Matejem Praprotnikom.
Foto: Anže Malovrh/STA

Ljubljana, Kemijski inštitut.
Intervju z raziskovalcem na Kemijskem inštitutu Matejem Praprotnikom.
Foto: Anže Malovrh/STA

Ljubljana, Kemijski inštitut.
Intervju z raziskovalcem na Kemijskem inštitutu Matejem Praprotnikom.
Foto: Anže Malovrh/STA

Simulacije so po besedah Praprotnika most med teorijo in eksperimenti. Cilj je, da makroskopske lastnosti sistema razložijo na osnovi njihovih lastnosti na mikroskopski ravni. Raziskovalci s pomočjo računalniških simulacij poskušajo oponašati in s tem razumeti obnašanje molekul, ki sestavljajo določen sistem.

Kot je pojasnil Praprotnik, s termodinamskega stališča ločijo tri vrste sistemov: izolirane sisteme, ki ne izmenjujejo niti delcev niti energije z okolico, zaprte sisteme, ki ne izmenjujejo delcev, izmenjujejo pa energijo, ter odprte sisteme, ki izmenjujejo tako energijo kot delce z okolico. Slednji so predmet novih simulacijskih tehnologij, ki so jih razvili slovenski znanstveniki.

Razvoj simulacijskih metod je Praprotnik skupaj z znanstvenikom iz Berlina povzel v članku, objavljenem v reviji Physics Reports.

Nove simulacijske metode v nasprotju s standardnimi tehnikami odprejo meje molekularnega sistema in dovoljujejo izmenjavo energije in snovi z okoljem v in izven termodinamskega ravnovesja. V eksperimentalnih situacijah so najpogostejši ravno takšni odprti sistemi, ki izmenjujejo maso, gibalno količino in energijo z okolico.

Dosežek predstavlja preskok na področju računalniških simulacij

Simulacije molekulske dinamike odprtih sistemov mehke snovi, kamor spadajo npr. tekočinski tokovi, so bile doslej redke. Zaradi zapletenosti postopka je bilo namreč takšne sisteme izredno težko simulirati, je pojasnil Praprotnik. Po njegovi oceni zato dosežek predstavlja velik preskok na področju računalniških simulacij ter odpira nove možnosti za simulacije, ki doslej niso bile možne.

Z novimi metodami so simulacije sedaj primerne tudi za nove tehnologije, ki jih prinaša razvoj na področju nanotehnologije, nanomedicine ali nanofluidike. Vse te namreč zahtevajo neravnovesne simulacije izmenjave delcev. Primer so denimo simulacije vodnih tokov skozi nanocevke za pridobivanje pitne vode s pomočjo razsoljevanja vode, kar bo v prihodnje po mnenju Praprotnika vse pomembneje.

S simulacijami do prihranka časa in denarja

Simulacije eksperimentalcem omogočajo razumevanje in usmeritev, v katero smer naj raziskujejo. S tem se po Praprotnikovih besedah prihranita čas in denar. Njihova prednost je tudi v tem, da jih lahko izvajajo pri pogojih, ki so v eksperimentalnih okoljih izredno težko dosegljivi. "Počnete lahko marsikaj, kar je v realnem svetu zelo težko početi - kot je denimo preučevanje gibanja molekul pri zelo nizkih temperaturah ali visokem tlaku," je povedal Praprotnik.

Postopek simulacije je znanstvenik ponazoril s snemanjem filma. Raziskovalci naredijo posnetke posameznih konfiguracij oziroma razporeditev molekul v različnih trenutkih, pri čemer v vsakem trenutku zajamejo vse sile med vsemi delci. Posamezni posnetki razporeditev molekul se na koncu sestavijo v film, ki prikaže celotno sliko simuliranega sistema.

Izzivi na področju simulacij

Eden izmed problemov simulacij je ta, da so zelo časovno potratne, saj morajo raziskovalci posnetke razporeditev molekul zajemati na zelo kratki - femtosekundi časovni skali, zato je to računsko izredno zahtevna naloga, je dejal Praprotnik.

Druga težava pa je velikost sistemov, ki jih simulirajo. Da bi zadostili teoretičnim zahtevam statistične mehanike, ki predstavlja orodje za računanje makroskopskih lastnosti iz mikroskopskih, bi namreč sistemi morali biti neskončni.

To je po besedah Praprotnika v simulacijah nemogoče doseči, saj bi za to potrebovali neskončno velike pomnilnike in neskončno močne procesorje. Zato se pri standardnih molekularnih simulacijah poslužujejo trikov, kot so denimo periodični robni pogoji pri konstantnem številu molekul.

To pomeni, da raziskovalci namesto neskončnega sistema simulirajo škatlo, ki vsebuje določeno končno število delcev, nato pa to škatlo preslikajo v vse smeri. Na ta način dobijo periodično sliko celotnega sistema. Sama simulacijska škatla pa ima konstantno število molekul. Nove simulacijske metode, ki so jih razvili slovenski znanstveniki, za razliko od obstoječih dovoljujejo, da molekule zapustijo ali vstopajo v simulacijski sistem.

Praprotnik napoveduje, da se bodo v prihodnje računalniške simulacijske metode vse bolj oplajale z različnimi tehnikami, ki ne bodo prihajale več le s področja fizikalnih znanosti, temveč tudi iz matematike in računalništva (denimo strojno učenje). Hkrati pa bodo z razvojem na področju superračunalnikov simulacije postajale čedalje daljše. Vse to bo po mnenju Praprotnika prineslo nove možnosti in izboljšave na področju računalniških simulacij.

prof. dr. Matej Praprotnik

Praprotnik je vodja Odseka za molekularno modeliranje na Kemijskem inštitutu ter predavatelj na Fakulteti za matematiko in fiziko Univerze v Ljubljani (UL). Praprotnik je tudi predsednik Društva biofizikov Slovenije ter član znanstvenega sveta neprofitne organizacije iz Bruslja PRACE, katere naloga je, da omogoča dostop do superračunalnikov vsem raziskovalcem v Evropi za potrebe znanosti in inženirstva. Za svoje doktorsko delo je leta 2004 prejel Preglovo nagrado za izjemno doktorsko delo, ki jo podeljuje Kemijski inštitut.