超级计算机和量子模拟解决了材料科学的一个难题

　　一个全球科学家小组研究了硅酸盐分子二硅氧烷的弯曲能。虽然该系统简单易用，但弯曲能量的计算实际上是传统模拟方法难以解决的问题。作者：来自JAIST的Kenta Hongo。
　　了解自然界中发现的或实验室合成的分子的结构特性一直是材料科学家的主要工作。但是，随着科学技术的进步，这一努力变得更加雄心勃勃：发现具有高度理想性能的新材料。为了系统地完成这一壮举，材料科学家依赖于复杂的模拟技术，这些技术结合了量子力学的规则，同样的规则也控制着分子本身。
　　基于模拟的方法已经非常成功，以至于一个叫做材料信息学的研究领域都致力于此。但也有失败的例子。一个著名的例子来自二硅氧烷，一种含硅化合物，由一个硅氧硅桥组成，每端有三个氢原子。这种结构足够简单，但众所周知，要估算出弯曲Si-O-Si桥所需的能量是非常困难的。实验结果是不一致的，理论计算得到的数值也大不相同，这是由于计算特性对参数选择和理论水平的敏感性。
　　幸运的是，由日本高级科学技术研究所副教授Kenta Hongo博士领导的一个国际研究小组已经成功地解决了这个问题。在他们发表在 物理化学化学物理 ，该团队通过使用一种称为＂第一原理量子蒙特卡罗方法＂的最先进模拟技术实现了这一壮举，该技术最终克服了其他标准技术无法克服的困难。
　　但这一切都归结为更好的模拟吗？不完全是。Hongo博士解释说：＂得到一个与实验已知值不一致的答案本身并不令人惊讶。这种一致性可以通过更仔细、更昂贵的模拟得到改善。但是对于二硅氧烷，这种一致性实际上随着更仔细的模拟而变得更差。＂。＂我们不需要担心的是，我们调整的参数是否足够，不需要太多的依赖性。＂
　　该团队将第一原理量子蒙特卡罗方法与其他标准技术进行了比较，如＂密度泛函理论＂（DFT）计算和＂具有单、双替换和非迭代三元组的耦合簇方法＂（CCSD（T）），以及先前研究中的经验测量。这三种方法的区别主要在于它们对基集（用来定义量子波函数的一组函数）的＂完备性＂的敏感性。
　　结果表明，对于DFT和CCSD（T），基集的选择影响波函数的振幅和零振幅的位置，而对于量子蒙特卡罗，它只影响零振幅位置。这使得我们可以调整振幅，使波函数的形状接近精确解的形状。＂振幅的这种自愈特性很好地减少了基集的依赖性，并降低了在计算弯曲能垒时由于基集不完整而产生的偏差，＂Hongo博士解释道。
　　尽管这本身是一个令人兴奋的发展，洪戈教授指出了更大的前景。他说：＂分子模拟技术被广泛应用于新药和催化剂的设计。消除使用这些药物和催化剂的基本困难对此类材料的设计有很大的帮助。有了我们强大的超级计算机，我们研究中使用的方法可以成为克服这些困难的标准策略。＂。