Реєстраційний номер
0213U003717,
0112U005153
, Науково-дослідна робота
Назва роботи
Програмно-апаратний комплекс для моделювання та аналізу природних та штучних нано-систем у грід-середовищі.
Назва етапу роботи
Керівник роботи
Яценко Леонід Петрович,
Дата реєстрації
27-02-2013
Організація виконавець
Інститут фізики НАН України
Опис етапу
Грід-технології на сьогодні активно використовується для моделювання природних та штучних наносистем, зокрема біологічних макромолекул та штучних наноструктур. Найбільш активно використовуються методи молекулярної динаміки та квантової хімії, що дозволяють моделювати структуру та динаміку складних надмолекулярних систем та отримувати траєкторії всіх атомів системи у часі. Розмір типової траєкторії молекулярної динаміки по мірі розвитку розрахункових потужностей стає все більшим і зараз сягає десятків гігабайт. Обробка таких траєкторій може займати декілька годин чи навіть днів. Це робить етап аналізу даних досить складним технічно та інтенсивним чисельно. Відповідно виникає потреба у переносі задач аналізу траєкторій до грід-середовища. Інтеграція аналізу траєкторій молекулярної динаміки до грід-середовища вимагає вирішення кількох задач: 1) створення нового програмного забезпечення для аналізу траєкторій; 2) оптимізація його роботи на окремих обчислювальних кластерах; 3) забезпечення доступу до локальних та віддалених ресурсів, де фізично зберігаються траєкторії; 4) створення інтерфейсу для взаємодії користувача з системою аналізу. На даному етапі проекту продовжувались роботи по розробці бібліотеки молекулярного моделювання та аналізу Pteros. Реалізовано асинхронне читання великих траєкторії МД з паралельною диспечеризацією прочитаних кадрів між довільною кількістю аналітичних процедур, які виконуються у незалежних дочірніх потоках. Реалізовано буфер з підрахунком посилань, який накопичує і зберігає прочитані кадри доти, доки вони не оброблені хоча б одним з аналітичних потоків та видаляє їх після використання. Реалізовано єдиний універсальний API для читання будь-яких форматів даних МД, який дозволяє дуже просто і прозоро додавати нові формати файлів до бібліотеки. Реалізовано обгортку для плагінів вводу-виводу molfile plugins програми VMD сумісну з універсальним API вводу-виводу Pteros. Значно покращено прив'язки до мови програмування Python. Було розроблено додаткову систему інтерпретації параметрів запуску аналітичних програм. Реалізовано Веб-інтерфейс для бібліотеки. Розпочато перенос розробки на більш прогресивну розподілену систему контролю версій GIT. Кардинально перероблено реалізацію алгоритму grid search, додано повну підтримку періодичних граничних умов. Оновлено документацію на сайті http://pteros.sourceforge.net/. Кластери, що складаються з невеликої кількості атомів - менше декількох сотень, мають суттєво іншу структуру і властивості у порівнянні з об'ємним матеріалом. Наприклад, добре відомі фулерени мають принципово відмінну структуру від графіту і алмазу, так само як недавно відкриті вкладено-оболонкові наночастинки (CdSe)33, (CdSe)34 не мають вюрцитної структури об'ємного CdSe. Раніше нами було опубліковано результати часопролітної мас-спектроскопії кластерів ZnO, отриманих лазерною абляцією порошку пероксиду цинку (ZnO2), і показано, що суттєво більша різноманітність кластерів може бути сформована з цього запропонованого прекурсору. Серед інших було виявлено кластери підвищеної стабільності - "магічні кластери" - (ZnO)34, (ZnO)60 та (ZnO)78, а також знайдено спосіб підвищення їх відносної кількості завдяки додаванню алкиламінів. Запропонований нами підхід до вирішення проблеми встановлення структури малих атомарних кластерів наступний. За основу ми беремо експериментальні дані, а саме мас-спектри сполук, що розглядаються. Вибираємо ділянку спектру, що містить інформацію про поширеність (стабільність) деяких характерних (магічних, якщо такі є) кластерів малого розміру. Конструюємо всі можливі ізомери для обраних кластерів. Проводимо попередній відбір "кращих" ізомерів, тобто тих, що мають найменшу можливу загальну енергію. За результатами квантово-хімічних обчислень, проводимо остаточний відбір найстабільніших ізомерів для даних кластерів. На основі порівняння результатів обчислень (енергій зв'язку кластерів) з експериментальними даними (поширеністю кластерів) робимо висновки щодо реалістичності вибраного методу обчислень. Якщо результати задовільні - проводимо квантово-хімічні обчислення більших кластерів вибраним методом. Вважаємо, що отриманим у такий спосіб результатам обчислень можна довіряти. За допомогою спеціально розробленого програмного забезпечення та стандартних програмних пакетів для квантово-хімічних розрахунків (Firefly) проведено комплекс обчислень і встановлено найбільш енергетично вигідні структури атомарних кластерів (ZnO)n і (ZnS)n, де n=12, 13. З порівняння результатів обчислень з експериментом (мас-спектри відповідних кластерів при лазерній абляції твердої мішені) зроблено висновок щодо раціонального вибору методу обчислень і набору базисних функцій для досліджених сполук: для ZnO можна застосовувати прості базиси в обчисленнях з перших принципів, в той час як для ZnS такі обчислення погано відповідають експериментальним даним, а напівемпіричний метод АМ1 дає задовільне співпадіння результатів обчислень і експерименту для обох сполук. Сформульовано висновки щодо доцільності проведення обчислень стабільності кластерів (ZnO)n в гріді: напівемпіричний метод буде раціонально використовувати для кластерів з n>60, ab initio методи - для n>2?5 залежно від використаного базису і рівня теорії.
Опис продукції
Бібліотека Pteros дозволяє здійснювати в гріді конструювання складних молекулярних систем та аналіз результатів моделювання, що значно прискорює процес обчислень в порівнянні з використанням локальних ресурсів. Її реалізовано на мові С++ з використанням високорівневих засобів, що робить її інтерфейс дуже простим та зрозумілим для непрофесійних програмістів. Проведено комплекс обчислень і встановлено найбільш енергетично вигідні структури атомарних кластерів (ZnO)n і (ZnS)n, де n=12, 13.
Автори роботи
Єсилевський Семен Олександрович
Березецька Наталя Михайлівна
Блонський Іван Васильович
Дмитрук Ігор Миколайович
Дмитрук Андрій Миколайович
Рябцев Андрій Володимирович
Харкянен Валерій Миколайович
Шинкаренко Євген Вікторович
Яценко Леонід Петрович
Додано/оновлено в НРАТ
2020-04-02
