VP3 – Modelování a simulace
Výzkumný program VP3 zaštiťuje skupina fyziky nanostruktur (http://nano.osu.cz), která je součástí Katedry fyziky na Přírodovědecké fakultě Ostravské univerzity a zabývá se perspektivním směrem základního výzkumu v oblasti teorie elektronové struktury a počítačového modelování molekulárních komplexů a (nano)materiálů na atomové škále. Výpočetní metody jsou aplikovány na molekuly, klastry, pevné látky, povrchy a nanomateriály se zaměřením na predikci jejich strukturních, elektronických, optických, adsorpčních vlastností a jejich interakcí. Úspěšně jsou popisovány komplexní systémy a jevy jako např. přechodné kovy, jejich oxidy, nekovalentní interakce a fyzisorpce, jaderné delokalizační efekty silně kvantových systémů nebo excitonické efekty u nanostruktur.
V rámci projektu LERCO plánujeme ve VP3 rozvíjet vybrané výpočetní metody (hlavní aktivita 1, viz níže), bude rozvíjena část výzkumu věnující se interakcím (hlavní aktiva 2, viz níže) a vznikne zde zcela nový směr výzkumu zaměřen na molekulární modelování (výpočetní molekulární fyzika – molekulární simulace silovými poli; hlavní aktivita 3), který bude sloužit primárně jako podpora experimentálního výzkumů dalších výzkumných programů.
Produktivní a z hlediska výpočetního času náročné výpočty (např. kvantové Monte Carlo) jsou prováděny superpočítačích ve výpočetních centrech v ČR i zahraničí. Zároveň pracoviště disponuje vlastním výpočetním klastrem, který slouží pro méně náročné výpočty a ladění metod. V rámci projektu LERCO plánujeme revitalizaci výpočetního klastru na modernější a výkonnější systém, který bude využit při jeho realizaci.
Hlavní aktivita 1: Vývoj metodik
VP3 je zaměřen na aplikace jako počítačové modelování elektronové struktury komplexnıích nano-systémů, nebo molekulární modelování mezoskopických bio-systémů s rozlišením na atomové škále, pomocí výpočetních metod chemické fyziky. V rámci projektu plánujeme rozvíjení vybraných výpočetních metod, a to jak velmi přesných a výpočetně vysoce náročných metod pro referenční výpočty, tak i přibližných, výpočetně méně náročných metod, s příznivým škálováním výpočetní náročnosti vhodných pro velké systémy.
Na straně referenčních výpočetních metod plánujeme koncepční a algoritmický vývoj stochastických referenčních metod (kvantové Monte Carlo) pro přesný popis komplexních systémů, u kterých hrají roli mnohočásticové efekty elektronové korelace. V rámci projektu LERCO se vyvinuté metody zaměří zejména na referenční popis nekovalentních interakcí v bio-molekulách a chemické reakce z oblasti enviromentální chemie.
Na straně méně náročných a přibližných výpočetních metod s příznivým škálováním výpočetní náročnosti plánujeme hledání vhodných parametrizací a výpočetních protokolů vhodných pro popis velkých systémů s přijatelnou přesností. Příkladem mohou být selekce vhodných kvantově-mechanických efektivních DFT metod pro vybraný problém za pomoci referenčních výpočtů na malých reprezentativních systémech, nebo parametrizace metod těsné vazby (tight-binding) a vnořených modelů (embedding, multiscale modeling). V rámci projektu LERCO budou přibližné metody využity zejména na studium chemických reakcí a interakcí na vybraných površích materiálů nebo nanočástic v oblasti enviromentální chemie a studium interakcí v biologicky relevantních systémech.
Hlavní aktivita 2: Počítačové modelování komplexních systémů na atomové škále
Cílem hlavní aktivity 2 je využití počítačového modelování k vlastnímu výzkumu komplexních systémů na atomové škále a jako podpora pro experimentální výzkum v dalších výzkumných programech. Vlastní výzkum bude zaměřen na tři kategorie.
Studium interakcí v bio/makromolekulách a nanostrukturách se zaměří na popis energetiky nekovalentních interakcí, které hrají důležitou roli v procesech jako např., interakce léčivo a bio-molekula nebo interakce polutant-povrch.
Další část bude zaměřena na popis chemických reakcí důležitých pro biologii, environmentální chemii a biochemii. Příkladem mohou být reakce kovových nanočástic s polutanty s cílem studovat procesy odbourávání molekul polutantů a hledat tak nanočástice, které jsou efektivní pro tento účel.
Poslední oblast výzkumu bude zaměřena na (foto)katalýzu důležitých reakcí na (nano)materiálech a (bio)komplexech, jako např. modelování štěpení vody na površích s d-prvky, které by potenciálně mohly nahradit drahé kovy aktuálně používány na tento účel. Elektrochemické štěpení vody pro získávání vodíku jako obnovitelného a udržitelného zdroje energie je zatím limitováno a čeká na objev „levného“ materiálu, který by umožnil reakci provádět na průmyslové škále.
Hlavní aktivita 3: Molekulární modelování
V rámci hlavní aktivity 3 je cílem vybudovat novou skupinu zabývající se výpočetním molekulárním modelováním. Tato skupina se bude zabývat popisem biologicky relevantních systémů a vytvářené simulace začnou postupně doplňovat a podporovat experimentální výzkum, a to zejména v molekulární biologii, biofyzice nebo biochemii. Na rozdíl od hlavních aktivit 1 a 2 bude aktivita 3 nabíhat průběžně po celou dobu řešení projektu.
Vědecká činnost týmu molekulárního modelování bude založena na modelování mezoskopických systémů pomocí metod výpočetní molekulární fyziky s rozlišením na atomární škále, jako např. molekulární simulace silovými poli za využití metody molekulární dynamiky (popř. metody Monte Carlo) a jejich aplikace na popis biologicky relevantních systémů, případně biomateriálů a nanostruktur.
Spolupráce s dalšími VP
Z důvodu velmi silné mezioborové vazby bude spolupracovat tým výzkumného programu 3 na některých dílčích aktivitách s dalšími výzkumnými týmy projektu LERCO. Primárně půjde o podporu současných experimentálních výzkumů v oblasti molekulární biologie (výzkumný program 1) a modelování interakcí jak adsorbentů s cílovými molekulami, tak v biologických systémech (výzkumný program 2).
