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Introduzione:
Noi viviamo in un mondo pieno di molecole: le molecole costituiscono i nostri corpi e le reazioni tra molecole sono fenomeni essenziali dietro tutti i processi della vita. Noi respiriamo, mangiamo e deterioriamo molecole ogni giorno.
Con questo in mente si può immaginare la grande importanza della conoscenza inerente la struttura molecolare e anche l’utilità dell’abilità di fare predizioni in modo accurato circa la reattività molecolare.

 

Le basi teoriche:
La Teoria Quantistica è stata sviluppata nella prima metà del ventesimo secolo da Planck, Einstein, Bohr, Schrödinger, Heisenberg, Pauli, Dirac ed altri. Ha sostituito le meccaniche newtoniane e l'elettromagnetismo classico, siccome può spiegare le osservazioni ai livelli atomici e subatomici che non possono essere spiegati da queste teorie classiche. (Maggiori informazioni in inglese, su Quantum Theory).
La Teoria Quantistica in linea di principio permette di predire la struttura e la reattività di tutte le molecole, ma le equazioni si trasformano in un complesso insolubile con l’aumento delle dimensioni del sistema. Soluzioni analitiche esatte sono possibili soltanto per i sistemi più piccoli mentre per la maggior parte di tutte le molecole di interesse in chimica e scienze biologiche, queste soluzioni non sono a noi note.
Sulla base del fondamento teorico della Teoria Quantistica, la Chimica Quantistica prova a fornire previsioni sul tutto ciò che è importante in chimica. Fondamentale per la Chimica Quantistica è la cosiddetta “equazione di Schrödinger”. (Maggiori informazioni in inglese su Quantum Chemistry).
In generale le equazioni della Teoria Quantistica sono insolubili per la maggior parte dei sistemi di qualche interesse in chimica quindi i ricercatori si sono indirizzati verso i metodi alternativi: si prova a risolvere le equazioni per mezzo di approssimazioni mirate ("intelligenti").
Un nuovo metodo di Chimica Quantistica molto promettente è Quantum Monte Carlo (QMC) perchè è l'unico metodo adatto a calcoli paralleli in maniera massiccia.
La versione più comune di Quantum Monte Carlo (QMC) è Fixed Node Diffusion Monte Carlo (FNDMC), un metodo stocastico (probabilistico) per risolvere numericamente in modo diretto l'equazione di Schrödinger. In FNDMC l'equazione di Schrödinger è tracciata ad un processo di diffusione che è risolto esattamente (all'interno dei volumi definiti dai nodi di una funzione di prova) attraverso una simulazione Monte Carlo.
Dato che le simulazioni Monte Carlo fanno un vasto uso di numeri casuali (da qui il loro nome), ci si potrebbe quasi immaginare di giocare a dadi con le molecole. Il programma che viene usato per i calcoli FNDMC è Amolqc, un programma di QMC sviluppato da Arne Lüchow ed altri. (Maggiori informazioni in inglese su Schrödinger Equation; Monte Carlo Methods; Amolqc, Lüchow Group).

 

Scopo del progetto:
Per ora ci sono poche informazioni circa le prestazioni di QMC per i problemi reali quindi necessita di ampie prove e ulteriore sviluppo. Per acquisire il necessario potere computazionale è nato il progetto QMC@home che è inoltre dedicato ad un ulteriore sviluppo di QMC per un uso generale nella Chimica Quantistica, per predire la struttura e la reattività delle molecole importanti nella chimica e nelle scienze biologiche.

 

Le applicazioni che vengono eseguite dai nostri PC sono attualmente di due tipi:
Stacking effects: con questi calcoli si cerca di capire i differenti effetti che si creano quando si impilano gli uni sugli altri sistemi saturi ed insaturi. I nomi delle WU sono del tipo:  *_nm/nd/dm/dd/ad/adb/agd_hexadeca/anthracene.*
qmc_wustackeff_1
 qmc_wustackeff_2

 

Isomerisation reactions: con la ricerca sulle reazioni di isomerizzazione si spera di scoprire di più circa il cosiddetto “fixed-node error”. Questo errore è la limitazione principale del metodo di QMC.
I nomi delle WU sono del tipo: one/two/three_e(duct)/p(roduct)NUMBER_isomerexp dove “Educt” è un termine inglese utilizzato in letteratura tedesca (E’ intraducibile, grossomodo sta' per reagente) e ogni “Number” corrisponde a una delle seguenti molecole:
qmc_wuisomerisation

 


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