Descrizione della commessa "Sviluppo di metodologie computazionali per la progettazione e caratterizzazione in silico di processi di interesse per la soft matter (PM.P07.004)"

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  • Descrizione della commessa "Sviluppo di metodologie computazionali per la progettazione e caratterizzazione in silico di processi di interesse per la soft matter (PM.P07.004)" (literal)
Potenziale impiego per bisogni individuali e collettivi
  • La ricerca nel settore della \"soft matter\" risponde all'esigenza di coniugare la tecnologia avanzata con il soddisfacimento di criteri di economicità e di sostenibilità, temi di grande interesse per la società moderna. I sistemi studiati si inquadrano in settori tecnologici con forte impatto sulla collettività, come l'elettronica molecolare, la sensoristica e l'energia. (literal)
Strumentazione
  • Fra le risorse di calcolo vanno citati: - Due \"deskside supercomputer\" Cray CX1, equipaggiati con lame biprocessore quad-core basate su processori Xeon X5550. - Server Proliant HP e workstations presso l'IMIP. - Facilities computazionali accessibili presso il CASPUR. - Risorse computazionali presso il nodo di Napoli nel \"Virtual Italian Laboratory for Large-scale Applications in a Geographically distribuited Environment\": Cluster di 10 nodi HP ES45 e 4 Nodi HP DS20 (totale 48 cpu), equipaggiato di storage EVA 3000 (totale 2 TB) e interconnessione ad alte prestazioni; altri cluster sono basati su processori Opteron (16 biprocessori, 6 quadriprocessori dual-core e 20 biprocessori quad-core) e su processori Itanium (8 processori). Per lo storage dei dati viene utilizzato un sistema NAS da 12 TB. (literal)
Tematiche di ricerca
  • Grazie ai continui sviluppi teorici, algoritmici ed informatici, ed alla accessibilità di risorse di calcolo sempre più potenti, la modellistica computazionale sta acquisendo un notevolissimo rilievo in tutti gli ambiti della ricerca e della tecnologia. Anche in situazioni di notevole complessità, protocolli computazionali appropriati possono fornire indicazioni importanti per l'interpretazione e la predizione di caratteristiche sperimentali, e per la messa a punto di sistemi innovativi. Le ricerche della Commessa sono incentrate sulla elaborazione di approcci teorico-computazionali utilizzabili nell'ambito della \"soft matter\", con particolare riguardo alla interpretazione di fenomeni chimico-fisici che coinvolgono sistemi biochimici, polimeri, cluster molecolari e superfici, anche in interazione con molecole piccole. Le grandi dimensioni dei sistemi e/o l'intrinseca complessità dei fenomeni implicano la necessità di utilizzare diversi livelli di teoria, integrati in protocolli multiscala. Numerose applicazioni a problematiche reali consentono di validare gli strumenti computazionali messi a punto, e di acquisire risultati di sicuro interesse scientifico e applicativo. (literal)
Competenze
  • La Commessa riunisce unità operative di diversa matrice culturale, non solo del DPM ma anche del DMD, che condividono un comune interesse per la modellizzazione computazionale di sistemi complessi. Questo consente alla Commessa di ricoprire un notevole spettro di competenze: - Metodi per il calcolo della struttura elettronica dello stato fondamentale e di stati eccitati, sia di tipo post-Hartree-Fock, sia basati sulla teoria del funzionale densità. - Modellizzazione di processi reattivi in sistemi di interesse biologico in termini di meccanismo di reazione microscopico. - Meccanica e dinamica molecolare, e metodi continui \"mean-field\" per la descrizione degli effetti dell'ambiente. - Dinamica ab initio. - Sviluppo e implementazione di codici MD semi-classici e quantomeccanici. - Competenza sistemistiche e informatiche: gestione di sistemi HPC, sviluppo di algoritmi paralleli, messa a punto e gestione di reti computazionali (\"grid\"). (literal)
Potenziale impiego per processi produttivi
  • Lo sviluppo di nuovi sistemi con specifiche caratteristiche, e il miglioramento dei materiali e dei processi esistenti, può avere un notevole impatto in numerosi campi tecnologici (elettronica molecolare, sensoristica, (bio)ingegneria, energia, …) ed è quindi di notevole interesse anche dal punto di vista applicativo. La presente Commessa fornisce un contributo basato su tecniche di simulazione e di \"molecular modelling\", che sono nel contempo efficaci ed economiche, per l'interpretazione dei dati sperimentali acquisiti sui sistemi esistenti e per la sintesi guidata di nuovi sistemi. (literal)
Tecnologie
  • Tecnologie integrate di indagine: - Parametrizzazione di modelli \"coarse-grained\" e/o macroscopici basata su calcoli QM e QM/MM. Sulla base calcoli quantistici e/o atomistici, si definiscono parametrizzazioni relative a porzioni dimensionalmente più estese del sistema; ciò consente di descrivere, con notevole accuratezza e a costo computazionale contenuto, fenomeni strutturali e dinamici che avvengono su scala dimensionale e/o temporale elevata. - Estensione di modelli QM/MM alla simulazione di processi dinamici. - Utilizzazione di piattaforme di calcolo parallelo e di \"grid\" computazionali, per la modellizzazione di sistemi quanto più possibile realistici. (literal)
Obiettivi
  • - Utilizzare la sinergia fra gruppi di ricerca teorico / computazionali di varia estrazione per realizzare e validare modelli e protocolli computazionali affidabili ed efficaci, tali da consentire la modellizzazione di proprietà strutturali, dinamiche, elettroniche, spettroscopiche e reattive di sistemi complessi di interesse nel settore della \"soft matter\". - Implementare e validare protocolli computazionali integrati (multiscala), anche in relazione all'uso di architetture parallele e di risorse di calcolo geograficamente distribuite (\"grid computing\"). (literal)
Stato dell'arte
  • La letteratura scientifica mette chiaramente in luce l'importanza crescente della modellistica computazionale nello studio dei fenomeni chimico-fisici che coinvolgono sistemi (bio)molecolari, polimerici, cluster e superfici. In questo come in altri ambiti, le descrizioni teorico-computazionali consentono l'interpretazione e la razionalizzazione di risultati sperimentali che altrimenti rimarrebbero oscuri e scarsamente utilizzabili. Inoltre, l'accuratezza delle predizioni modellistiche è spesso sufficiente a consentire la progettazione di nuovi sistemi, rispondenti a specifiche caratteristiche desiderate, con un'efficienza estremamente elevata e costi assai inferiori rispetto agli \"screening\" sintetici tradizionali. Nell'ambito dei sistemi complessi oggetto della Commessa, le modellizzazioni vengono tipicamente condotte con metodologie multiscala integrate, che spaziano da metodi quantistici a modelli di continuo, in grado di fornire una descrizione di tipo \"bottom up\", che parte dall'informazione molecolare. Le competenze chimiche, teoriche, computazionali e sistemistiche riunite nell'ambito della Commessa consentono un'attività ben integrata in questo settore. (literal)
Tecniche di indagine
  • - Metodi ab initio multiscala basati sulla teoria del funzionale della densità, computazionalmente efficienti e accurati, per il calcolo delle proprietà di sistemi molecolari contenenti atomi appartenenti all'intero sistema periodico. - Metodi post-HF. - Metodi DFT-D. - Modelli continui \"mean field\" (MF) per descrivere il \"bulk\", cioè le interazioni a lungo raggio con l'ambiente. - Simulazioni di dinamica molecolare classica e ab initio. - Metodi multiscala \"misti\". Il sistema è scomposto in una combinazione gerarchica di parti: la regione interna (\"core\"), in cui si localizza il fenomeno di interesse, viene descritta ad un livello QM accurato, mentre le regioni esterne vengono trattate con metodi MM o \"mean-field\", meno accurati, ma computazionalmente economici. L'approccio è utilizzabile anche nel quadro di simulazioni dinamiche. - Modelli collisionali semiclassici e quantistico-classici a diversi gradi di quantizzazione, per la descrizione di processi elementari dovuti alle interazioni molecola/atomo-superficie. (literal)
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