Laboratorio di Fisica Computazionale della Materia (FCM)

Laboratorio di Fisica Computazionale della Materia (FCM), Istituto per i

Processi Chimico-Fisici - Consiglio Nazionale delle Ricerche (Messina)

Aree di Ricerca: Modellistica Computazionale

Il laboratorio FCM è coinvolto nella missione ARIEL (Atmospheric Remote-sensing Infrared Exoplanet Large-survey) dell’Agenzia Spaziale Europea (ESA) all'interno del Gruppo di Lavoro “Astrobiology and Prebiotic Chemistry”, nel PRIN “Exo-planetary Cloudy Atmospheres and Stellar High energy (Exo-CASH) – Project Code 2022J7ZFRA” e nel progetto bilaterale con l’Accademia delle Scienze della Repubblica Ceca dal titolo “Exploration of prebiotic synthesis mechanisms in impact craters”.

Il laboratorio FCM sviluppa e utilizza tecniche computazionali avanzate per simulare il

comportamento di sistemi in vari stati della materia e in diversi regimi termodinamici. I principali metodi di calcolo utilizzati sono le simulazioni di dinamica molecolare (MD) classica e quantistica. In particolare, mentre nelle tecniche di MD classiche le interazioni intermolecolari sono rappresentate da potenziali di interazione efficaci, nei cosiddetti approcci di MD ab initio (AIMD), il comportamento della materia su scala elettronica viene trattato all’interno del formalismo della Teoria del Funzionale Densità, mentre le interazioni quantistiche tra elettroni e nuclei sono risolte nell’approssimazione di Born-Oppenheimer. Sebbene i nuclei siano generalmente trattati come particelle classiche nelle simulazioni AIMD standard, anche importanti effetti quantistici nucleari (NQEs) possono essere presi in considerazione all’interno di avanzati schemi teorici come il Path Integral (PI-AIMD).

Mediante queste tecniche computazionali si è in grado di riprodurre diverse reazioni chimiche, sia in fase gassosa che in fase condensata, e in condizioni termodinamiche ed esterne molto diversificate (come campi elettrici esterni, propagazioni di onde d’urto a seguito di impatti violenti, condizioni acido/base, regimi di alta temperatura/pressione e così via). In questo modo, reazioni chimiche che sono cruciali nell’ambito della chimica prebiotica – come quelle che possono essersi verificate sulla terra primordiale, nelle atmosfere di esopianeti o nei ghiacci e nei grani interstellari – possono essere studiate in dettaglio e caratterizzate a livello atomico. In alcuni casi, tuttavia, le scale temporali simulate dai conti AIMD non sono sufficienti per osservare e monitorare statisticamente peculiari reazioni chimiche che, a causa delle elevate barriere di energia libera, avvengono su scale temporali più lunghe. Al fine di superare tale apparente limitazione, tutti questi approcci computazionali possono essere convenientemente accoppiati con tecniche avanzate di campionamento (ad esempio, la metadinamica, MetD) che consentono l’esplorazione completa dello spazio configurazionale accessibile alle specie chimiche che reagiscono e quindi consentono non solo la riproduzione delle reazioni chimiche oggetto di indagine ma anche la ricostruzione dei profili di energia libera con estremo dettaglio numerico. Uno dei principali vantaggi dell’accoppiamento delle simulazioni AIMD con approcci di MetD si basa non solo sulla possibilità di sfruttare la meccanica quantistica per ottenere energie interne di sistemi complessi soggetti a differenti fonti energetiche esterne (meccaniche, elettriche, chimiche, ecc.), ma anche sul fatto che i contributi entropici alle reazioni simulate vengono presi in considerazione esattamente ed a temperatura finita.

I software più comunemente utilizzati nel laboratorio FCM sono usualmente codici open source per il calcolo parallelo (CP2K, QuantumESPRESSO e GROMACS).

Il laboratorio FCM ha accesso alle risorse computazionali del centro di calcolo scientifico dell’Istituto di Biofisica dell’Accademia Ceca delle Scienze (IBP-CAS) di Brno (Repubblica Ceca), grazie ad una consolidata e stretta collaborazione con il gruppo di ricerca guidato dal Prof. Jiri Sponer (direttore del Dipartimento “Structure and Dynamics of Nucleic Acids” dell’IBP-CAS e del CEITEC). Alcuni di questi cluster di calcolo sono ottimizzati per simulazioni MD classiche, altri per calcoli di chimica quantistica statica e, altri ancora, per il calcolo massiccio di simulazioni AIMD e PI-AIMD. Ad esempio, il cluster “Leonidas” – che è quasi esclusivamente impiegato dal laboratorio FCM – è composto da 18 nodi, aventi 2 processori Xeon Gold 6230 ciascuno con 20 core ciascuno (cioè, ogni nodo computazionale è composto da 40 core), 192 Gb di RAM e connessioni inter-nodo Infiniband ultraveloci ed ottimizzate.

Il laboratorio FCM, oltre alla collaborazione con il gruppo teorico e computazionale dell’IBP-CAS e del CEITEC, vanta collaborazioni nazionali ed internazionali nei campi della chimica prebiotica teorica, computazionale e sperimentale e dell’astrochimica. Infatti, oltre alle ì collaborazioni con il gruppo del Dott. Cesare Cecchi-Pestellini dell’Osservatorio Astronomico di Palermo (Italia) dell’INAF (Istituto Nazionale di Astrofisica), il team FCM è storicamente legato al gruppo di ricerca guidato dal Prof. A. Marco Saitta dell’Istituto di Mineralogia, di Fisica dei Materiali e di Astrochimica dell’Université Pierre et Marie Curie, Sorbonne (Parigi, Francia). Inoltre, è attiva una stretta collaborazione con il gruppo sperimentale diretto dal Dott. Martin Ferus presso l’Istituto J. Heyrovsky di Chimica Fisica dell’Accademia Ceca delle Scienze (Praga, Repubblica Ceca).

Tutte le sopracitate collaborazioni sono peraltro testimoniate da numerose pubblicazioni su argomenti di chimica prebiotica e astrochimica apparse su importanti riviste ad alto fattore di impatto.

Nel nostro laboratorio noi sfruttiamo e sviluppiamo approcci computationali al super-calcolatore, basati sia sui metodi della Density Functional Theory (i.e., dinamica molecolare ab initio ) sia su tecniche di Meccanica Quantistica, per studiare il comportamento della materia condensata in condizioni standard ed estreme. Inoltre, utilizziamo tecniche come la metadinamica in congiunzione alla dinamica molecolare da principi primi per ricostruire le superfici di energia libera che governano diversi processi complessi. Grazie al carattere rigoroso e atomistico delle tecniche utilizzate, le nostre simulazioni trovano applicazione non solo nella Fisica e nella Chimica fondamentali, ma anche in contesti tecnologico-industriali e nella ricerca delle origini chimiche della vita.

ELENCO DELLA STRUMENTAZIONE DISPONIBILE

High-performance supercomputing clusters based at the Institute of Biophysics of Czech Academy of Sciences (Brno, Czech Republic).

High-performance supercomputing clusters of CINECA.

Progetti

• Centro Nazionale HPC, Big Data and Quantum Computing – HPC (Centro Nazionale 01 – CN0000013) CUP B93C22000620006. website

• Piano Nazionale di Ripresa e Resilienza (PNRR) – missione 2 “rivoluzione verde e transizione ecologica” – componente 2 “energia rinnovabile, idrogeno, rete e mobilità sostenibile” – investimento 3.5 “ricerca e sviluppo sull’idrogeno” – AdC ENEA-CNR (CUP B93C22000630006).

• Joint Bilateral Project CNR-16964/CNR2211 between the Italian National Research Council (CNR) and the Czech Academy of Sciences (CAS).

Research topics: Computational Modelling

The FCM lab is involved in the ARIEL (Atmospheric Remote-sensing Infrared Exoplanet Large-survey) mission of the European Space Agency (ESA) within the “Astrobiology and Prebiotic Chemistry” Working Group, in the PRIN "Exo-planetary Cloudy Atmospheres and Stellar High energy (Exo-CASH) – Project Code 2022J7ZFRA” and in the bilateral project with the Academy of Sciences of the Czech Republic entitled “Exploration of prebiotic synthesis mechanisms in impact craters”.

The FCM lab develops and exploits avant-garde computational techniques aimed at simulating the behavior of gas-phase and condensed-matter systems under disparate external conditions. The main computational methods employed at the FCM lab are both classical and quantum molecular dynamics (MD) simulations. In particular, whereas in force-fields MD techniques the interactions at the molecular level are reduced to effective interaction potentials, in the so-called ab initio MD (AIMD) approaches, the behavior of matter at the electronic scale is mimicked via the rigorous laws of Density Functional Theory whereas quantum interactions between electrons and nuclei are solved within the Born-Oppenheimer approximation. Although nuclei are generally treated as classical particles in standard AIMD simulations, also important Nuclear Quantum Effects (NQEs) can be taken into account within state-of-the-art path-integral AIMD (PI-AIMD) techniques also employed at the FCM lab. All the quantum-based approaches like AIMD and PI-AIMD simulations are able to reproduce gas-phase as well as condensed-phase chemical reactions occurring under very diverse standard and extreme (such as intense lightning, shock-wave propagations following violent impacts, acid/basic conditions, high temperature/pressure regimes and so on and so forth) conditions.

This way, chemical reactions crucial in prebiotic chemistry and astrochemical environments – such as those that could have been occurred on early Earth, in exoplanets’ atmospheres, and in interstellar ices and dust grains – can be reliably reproduced and mechanistically characterized at the atomistic level. In some cases, however, time-scales afforded by AIMD simulations are not sufficient to observe and statistically monitor peculiar chemical reactions which, due to high free-energy barriers, take place on longer time-scales. In order to circumvent such an apparent limitation, all these computational approaches can be conveniently coupled with advanced enhanced sampling techniques (e.g., metadynamics, MetD) which allow for the complete exploration of the configurational space accessible to the reacting species and hence enable not only the reproduction of the chemical reactions under investigation but also the fine reconstruction of the underlying free-energy landscapes. One of the main advantages of coupling AIMD simulations with MetD approaches relies not only on the possibility of exploiting quantum mechanics to obtain internal energies of complex systems subjected to disparate external energy sources (mechanical, electrical, chemical, etc.), but also on the fact that entropic contributions to the simulated reactions are taken into account exactly and at finite temperature. In this way, all the necessary ingredients to the careful thermodynamical characterization of chemical reactions of prebiotic and astrochemical interest can be hence obtained at the FCM lab.

Typical software used at the FCM lab are CP2K, QuantumESPRESSO, and GROMACS which are open-source codes for massive parallelized computing.

The FCM lab holds access to super-computing resources based at the Institute of Biophysics of the Czech Academy of Sciences (IBP-CAS) of Brno (Czech Republic) where, thanks to a well-established and tight collaboration with Sponer’s research group, several academic computer clusters have been built-up in the last few years. Some of these clusters are optimized for classical MD simulations, others for static quantum chemistry calculations and, still others, for massive computing of AIMD and PI-AIMD simulations. As an example, the “Leonidas” cluster – which is almost exclusively employed by the FCM lab – is composed of 18 nodes, each having 2 Xeon Gold 6230 processors with 20 cores each (i.e., each computational node holds 40 cores), 192 Gb RAM and optimized ultra-fast Infiniband inter-nodes connections.

The FCM lab boasts of national and international collaborations in the fields of theoretical, computational and experimental prebiotic chemistry and astrochemistry. In fact, additionally to collaborations with the group of Dr. Cesare Cecchi-Pestellini at INAF and Osservatorio Astronomico based in Palermo (Italy), the FCM team is scientifically bound to the computational research group of Prof. A. Marco Saitta of the Institute of Mineralogy, of Physics of Materials and Astrochemistry of the Université Pierre et Marie Curie, Sorbonne (Paris, France).

Moreover, a very strong and fruitful collaboration with the theoretical and computational group headed by Prof. Jiri Sponer at IBP-CAS (Brno, Czech Republic) and with the experimental group directed by Dr. Martin Ferus at the J. Heyrovsky Institute of Physical Chemistry of the Czech Academy of Sciences (Prague, Czech Republic) is witnessed by the publication of several papers on prebiotic chemistry and astrochemistry during the last few years.

In our laboratory we exploit and develop advanced supercomputing approaches, either based on Density Functional Theory methods (i.e., ab initio molecular dynamics, AIMD) or Quantum-Mechanical techniques, to investigate the behavior of condensed matter systems under standard and extreme conditions. Moreover, enhanced sampling techniques such as metadynamics are routinely employed in our lab in conjunction with AIMD simulations to reconstruct free-energy landscapes of disparate complex processes. Owing to the rigorous and atomistic character of the employed computational techniques, our simulations find application not only in fundamental Physics and Chemistry, but also in industrial/technological contexts and in the investigation of the chemical origins of life.

LIST OF AVAILABLE INSTRUMENTATION

High-performance supercomputing clusters based at the Institute of Biophysics of Czech Academy of Sciences (Brno, Czech Republic).

High-performance supercomputing clusters of CINECA.

Projects

• Centro Nazionale HPC, Big Data and Quantum Computing – HPC (Centro Nazionale 01 – CN0000013) CUP B93C22000620006. website

• Piano Nazionale di Ripresa e Resilienza (PNRR) – missione 2 “rivoluzione verde e transizione ecologica” – componente 2 “energia rinnovabile, idrogeno, rete e mobilità sostenibile” – investimento 3.5 “ricerca e sviluppo sull’idrogeno” – AdC ENEA-CNR (CUP B93C22000630006).

• Joint Bilateral Project CNR-16964/CNR2211 between the Italian National Research Council (CNR) and the Czech Academy of Sciences (CAS).

Keywords: Ab initio molecular dynamics, Density Functional Theory, Quantum Chemistry, Metadynamics, Prebiotic Chemistry, Condensed Matter Physics