10 نکته کلیدی برای شروع کار با نرم افزارهای محاسبات کوانتومی

10 points

ذراتی به کوچکی اتمها و مولکولها در دنیایی متفاوت از دنیای ما سیر می کنند. در دنیایی اتم ها و مولکولها قوانین مکانیک نیوتنی عملا کارایی خود را از دست می دهند و قادر به پیش بینی رفتار ذرات نیستند. در این سطح مکانیک کوانتوم جایگزین مکانیک کلاسیک نیوتونی می شود. با وجود تمام انتقاداتی که به نظریه کوانتومی وارد شده، این نظریه قدرت و دقت بالایی در پیش بینی رفتار اتمها و مولکولها دارد و تقریبا تمام دانش امروزی ما درباره این ذرات مرهون نظریه کوانتومی است. روش های محاسبات کوانتومی یا روش های ساختار الکترونی (Electronic Structure) به روش هایی گفته می شود که چهارچوب اصلی آنها قوانین مکانیک کوانتوم است. این روش ها شامل طیف گسترده ای از نظریه های محاسباتی می شوند با این حال برپایه مفاهیم مشترکی بنا شده اند. محاسبات کوانتومی برای اغلب محققان تازه کار که اطلاع درستی از این مفاهیم پایه ندارند گیج کننده است. اغلب این افراد ایده درستی در این باره ندارند که چگونه می توانند از نرم افزارهای محاسبات کوانتومی استفاده کنند. بحث درباره مفاهیم پایه محاسبات کوانتومی خارج از توان این متن است با این حال در این مقاله چند نکته کلیدی ارائه شده است. این نکات می توانند راهگشای محققان تازه کار برای استفاده از نرم افزارهای محاسبات کوانتومی باشند.

آموزش ساخت ورودی برای نرم افزار محاسباتی ان دابلیو کم (NWChem)

NWChem logo

در مقاله قبل فایل ورودی نرم افزار Gaussian  معرفی و بخشهای مختلف آن توضیح داده شد. علاوه بر Gaussian نرم افزارهای محاسباتی دیگری نیز وجود دارند که هر کدام دارای مزایای خاص خود هستند. با این وجود این نرم افزارها در ایران کمتر شناخته شده اند و بسیار کم مورد استفاده قرار می گیرند. یکی از این نرم افزارها که جزء بهترین نرم افزارهای محاسباتی دنیاست نرم افزار NWChem است. NWChem نرم افزاری است که با هدف فراهم کردن ابزارهای محاسباتی در زمینه های شیمی، بیوشیمی و فیزیک حالت جامد ایجاد شده است. این نرم افزار که در آزمایشگاه ملی پاسفیک نورث وست (PNNL) وابسته به دپارتمان انرژی ایالات متحده توسعه یافته، قابلیت حل مسائل علمی بزرگ و استفاده بهینه از منابع سخت افزاری بزرگ مانند کلاسترها و ابررایانه ها را دارد.

به صورت خلاصه NWChem توانایی انجام انواع محاسبات کوانتومی، کلاسیکی، روش های ترکیبی، انواع شبیه سازی های دینامیک مولکولی و آثار نسبیتی را دارد. این روش ها روی طیف گسترده ای از ساختارها شامل مولکولهای زیستی، نانو ساختارها و مواد حالت جامد در حالات پایه و برانگیخته قابل اعمال اند. همچنین طیف بسیار بزرگی از توابع پایه شامل انواع توابع گوسی شکل و موج مسطح در این نرم افزار قابل دسترس هستند.

همانطور که در مقاله قبل گفته شد، اولین مرحله برای انجام یک محاسبه علمی ساخت فایل ورودی است. در این مقاله معماری و قالب (فرمت) فایل ورودی نرم افزار NWChem معرفی خواهد شد.

آموزش ساخت ورودی برای نرم افزار محاسباتی گوسین

نرم افزارهای محاسبات علمی به رغم اینکه بسیار پیچیده و متشکل از هزاران خط کد هستند، ظاهر بسیار ساده ای دارند. برخلاف بسیاری از نرم افزارهای متداول مانند نرم افزارهای آفیس، نرم افزارهای طراحی، فتوشاپ و غیره که از تعداد زیادی منو و دکمه تشکیل شده اند، نرم افزارهای محاسباتی فاقد رابط گرافیکی اند (و یا دارای رابط گرافیکی بسیار ساده در برخی از پلت فرمها هستند). تنظیمات و اطلاعات مورد نیاز این نرم افزارها نه از طریق رابط گرافیکی بلکه به وسیله یک فایل ساده متنی به این نرم افزارها منتقل می شود.به صورت کلی انجام یک محاسبه علمی را می توان به سه مرحله تقسیم کرد: 1) ساخت فایل ورودی 2) اجرای دستور محاسبه 3) تفسیر فایل خروجی.فایل ورودی برای هر نرم افزاری دارای قالب (فرمت) خاص خود است و از کلمات کلیدی خاصی تشکیل شده است که به نرم افزار می گوید: برای چه ساختاری، چه محاسبه ای، و به چه نحوی انجام دهد.

در این مقاله و چند مقاله آتی قالب فایل ورودی نرم افزارهای محاسباتی مختلف معرفی خواهد شد. در اولین مقاله از این سری از مقالات ابتدا به سراغ متداول ترین نرم افزار محاسباتی (Gaussian 09)خواهیم رفت.

g09 input