آزمایشگاههای محاسباتی، پیشگوهای مدرن قرن حاضر برای واکنشهای شیمیایی

آزمایشگاههای محاسباتی، پیشگوهای مدرن قرن حاضر برای واکنشهای شیمیایی

مطالعه تاریخ نشان میدهد که در گذشته به چه مقدار حکمرانان به پیشگویی علاقمند بودند. از این رو همواره در بارگاه سلاطین، جادوگران ماهر و پیشگویان زیردست جایگاه ویژه ای داشته اند. داشتن اطلاعاتی از آینده در تعیین سرنوشت یک جنگ بسیار حیاتی بوده است. وضعیت حکومتهای امروزی چگونه است؟ آیا دولتمردان امروزی نیز به پیشگویی و پیشبینی علاقمند هستند؟ آیا اصولا با فناوریهای نوین میتوان با احتمال مناسبی از رخدادهای آتی پرده برداری کرد؟ در این نوشته به گوشه ای از تلاشهای صورت گرفته در زمینه شیمی برای پیشبینی محصولات ترمودینامیکی و سینیتیکی واکنشهای شیمیایی پرداخته ایم و نقش شیمی محاسباتی را در صنایع مرور کرده ایم.

امروزه در اغلب صنایع شیمیایی قبل از هرگونه تلاش برای ساخت یک ترکیب جدید، با استفاده از کامپیوتر تلاش میشود خصوصیات فیزیکی و شیمیایی آن ترکیب پیش بینی گردد و تنها در صورت مناسب بودن نتایج محاسبات، ساخت ترکیب انجام شود. یکی از مهمترین دلایل این کار، کاهش هزینه مواد اولیه و کاهش ریسک پذیری ساخت ترکیبات نامناسب است. این گونه روشها که مبتنی بر حل معادله شرودینگر برای مولکول مورد نظر است را شیمی محاسباتی گویند. معادله شرودینگر یک معادله دیفرانسیلی است که با حل آن میتوان انرژی یک ماده شیمیاییرا محاسبه کرد. بزرگترین مشکل معادله شرودینگر حل آن است. روشهای مختلفی برای حل معادله شرودینگر وجود دارد. یکی از این دسته روشها که دقت بالایی نیز دارد، روشهای آغازین یا از اساس (ab initio methods) است. در این دسته روشها، مختصات تمام الکترونها برای تعیین برهمکنش بین آنها نیاز است. به تابع ریاضی بیان کننده مختصات هسته اتم یا الکترون، تابع موج میگویند. در فرایندهای شیمیایی با تقریب خوبی میتوان حرکت هسته ها را جدا از حرکت الکترونها مطالعه کرد که به این تقریب، تقریب آدیاباتیک (adiabatic approximation) کویند.

برای حل معادله شرودینگر، نیاز است ماتریسی به ابعاد مرتبه تعداد کل الکترونها فطری شود که کاری پرزحمت و وقتگیر است. امروزه از کامپیوترهایی با سرعتهای پردازش بالا برای اینگونه محاسبات استفاده میشود. تکنولوژیهای جدید ما را قادر می سازد تا علاوه بر CPU (Central Processing Unit) از GPU (Graphics Processing Unit) نیز برای حل معادله شرودینگر استفاده کنیم. با وجود این، به دلیل حجم بالای محاسبات، اغلب چندین CPU/GPU را با استفاده از روشهای خاصی به هم متصل کرده و یک خوشه محاسباتی (Cluster) میسازند. سایت https://www.top500.org/ پانصد خوشه محاسباتی برتر دنیا را مرتبا به روز می کند. در زمان نوشتن این مقاله، بزرگنرین خوشه محاسباتی با نام Sunway TaihuLight دارای بیش از ده میلیون و ششصد هزار Core و بیش از یک میلیون و سیصد هزار گیگابایت حافظه است. برای درک گستره هزینه این خوشه محاسباتی، قیمت یک CPU معمولی با ۱۰ عدد Core و سرعت ۳ GHz در زمان نوشتن این این مقاله حدود ۱۵ میلیون تومان است. به راستی چرا این همه هزینه؟ پانصدمین رتبه در سایت مذکور، به خوشه ای با سیزده هزار و سیصد Core اختصاص دارد. آیا این همه هزینه با این تعداد واحد پردازشی ضروری است؟ برای پاسخ به این سوال کافی است کاربرد این فناوری را در زندگی امروزه بررسی کنید.