Kimya ve malzemeler

Elektronik yapı

Bir molekülün ya da kristalin elektronları, biçimleri, enerjileri ve renkleri elde etmek için kuantum mekaniğiyle çözülür.

Yanıtladığı soru: Bu molekül kararlı mı ve rengi nedir?

Dışarıda bıraktığı: Kesin kuantum çok elektronlu problem çözülemez; bu yüzden her yöntem bir yerde bir yaklaşıma dayanır.

Çalıştığı yer: yaklaşık 10¹⁵ FLOPS yaklaşık bir üniversite kümesi, molekül ya da kristal başına saatlerden günlere.Şu tarihten beri: 1953 ilk bilgisayarlardan bazılarında çalıştırılan erken Hartree-Fock hesapları.

Tepkime dinamiği

Bir kimyasal tepkime sırasında kopan ve oluşan bağlar; çoğu zaman tepkimeye giren çekirdek kuantum mekaniksel, çevresi klasik olarak ele alınır.

Yanıtladığı soru: Tepkime hangi yolu izler ve ne kadar hızlı?

Dışarıda bıraktığı: Kuantum çekirdek ile klasik çevre arasındaki sınır gerçek bir çizgi değil, bir modelleme tercihidir.

Çalıştığı yer: yaklaşık 10¹⁵ FLOPS yaklaşık bir üniversite kümesi, incelenen tepkime başına günler.Şu tarihten beri: 1976 Warshel ve Levitt'in ilk birleşik kuantum ve klasik tepkime modeli.

Hesaplamalı malzeme taraması

Yararlı özelliklere sahip olanları bulmak için, bazen öğrenilmiş kısayollarla, otomatik olarak hesaplanan binlerce aday bileşik.

Yanıtladığı soru: Bu on bin adaydan hangisi daha iyi bir pil ya da güneş hücresi olur?

Dışarıda bıraktığı: Adayları hesaplaması kolay özelliklere göre süzer; bunlar her zaman malzemeyi yapmak için önemli olanlar değildir.

Çalıştığı yer: yaklaşık 10¹⁶ FLOPS yaklaşık binlerce hesabı paralel çalıştıran büyük bir küme.Şu tarihten beri: 2006 aday malzemeleri tarayan erken yüksek çıktılı hesaplar.

Uyarılmış durumlar ve fotokimya

Bir fotonu soğurduktan sonra bir molekül; temel hâlinden farklı bir enerji yüzeyinde gevşerken, bükülürken ya da parçalanırken hesaplanır.

Yanıtladığı soru: Bu molekül ışığı soğurduktan sonraki anda ne yapar?

Dışarıda bıraktığı: Uyarılmış durum yöntemleri taban durum yöntemlerinden daha az güvenilirdir ve en ucuzları tümüyle yanlış çıkabilir.

Çalıştığı yer: yaklaşık 10¹⁵ FLOPS yaklaşık bir üniversite kümesi, molekül başına saatlerden günlere.Şu tarihten beri: 1984 uyarılmış moleküllerin erken zamana bağlı kuantum kimyası hesapları.

Spektroskopi tahmini

Bir molekülün çekirdekleri ve elektronları, manyetik rezonans, kızılötesi ya da başka tayf çizgilerinin nereye düşeceğini öngörmek için hesaplanır ve ölçülmüş bir tayfla karşılaştırılır.

Yanıtladığı soru: Bu hesaplanmış tayf, aletin gerçekte kaydettiğiyle örtüşüp yapıyı doğruluyor mu?

Dışarıda bıraktığı: Pratikte en çok önem taşıyan daha ağır atomlar ve daha esnek moleküller için gözle görülür biçimde kötüleşir.

Çalıştığı yer: yaklaşık 10¹⁴ FLOPS yaklaşık bir iş istasyonu ya da küçük küme, molekül başına saatler.Şu tarihten beri: 1974 ölçülmüş tayflarla karşılaştırılan erken hesaplanmış nükleer manyetik rezonans kaymaları.

Çözünme serbest enerjisi

Bir molekülün elektronları, bir çözücünün sürekli bir yaklaşımının içindeymiş gibi yeniden hesaplanır; çözülmenin ne kadar enerjiye mal olduğunu ya da ne kadar enerji saldığını bulmak için.

Yanıtladığı soru: Bu molekül ne kadar kolay çözünür ve çözücü tepkimesini değiştirir mi?

Dışarıda bıraktığı: Çözücüyü pürüzsüz bir ortalama alanla değiştirir; kritik bir noktadaki tek bir su molekülüne hidrojen bağı gibi belirli etkileşimleri dışarıda bırakır.

Çalıştığı yer: yaklaşık 10¹⁴ FLOPS yaklaşık bir iş istasyonu ya da küçük küme, molekül başına dakikalardan saatlere.Şu tarihten beri: 1981 kuantum kimyası hesaplarına eklenen erken sürekli çözünme modelleri.

Makine öğrenmeli atomlar arası potansiyeller

Bir sinir ağı elektronik yapı enerjilerine uydurulur, sonra klasik maliyetle kuantuma yakın doğrulukta moleküler dinamiği sürer.

Yanıtladığı soru: Kuantum düzeyindeki kuvvetler, nanosaniyeler boyunca milyonlarca atom için elde edilebilir mi?

Dışarıda bıraktığı: Doğruluk, eğitim kümesindeki kimyalar ve geometrilerle sınırlıdır.

Çalıştığı yer: yaklaşık 10¹⁷ FLOPS yaklaşık Binlerce kuantum hesabı üzerinde eğitim, ardından büyük MDŞu tarihten beri: 2007 Generalized neural-network representation of high-dimensional potential-energy surfaces (2007) kaynakSimülasyonlar ağacında: Öğrenilmiş vekil modeller

Evrensel atomlar arası potansiyeller

Büyük bir malzeme veri tabanıyla eğitilmiş tek bir çizge sinir ağı, periyodik tablonun çoğu için enerjileri ve kuvvetleri öngörür.

Yanıtladığı soru: Tek bir öğrenilmiş model, her malzeme için ayrı bir uydurulmuş potansiyelin yerini alabilir mi?

Dışarıda bıraktığı: Doğruluk elemente göre değişir ve çoğu zaman potansiyel enerji yüzeyini yumuşatır.

Çalıştığı yer: yaklaşık 10¹⁷ FLOPS yaklaşık Milyonlarca yapı üzerinde eğitim, ucuz çıkarımŞu tarihten beri: 2022 A universal graph deep learning interatomic potential for the periodic table (2022) kaynak

Kuantum bilgisayarlarda kuantum kimyası

Bir varyasyonel kuantum algoritması, bir molekülün elektronik durumunu gerçek bir aygıtta hazırlar ve ölçer; klasik bir eniyileyici devreyi ayarlar.

Yanıtladığı soru: Bir kuantum işlemcisi küçük bir molekülün taban durumu enerjisini bulabilir mi?

Dışarıda bıraktığı: Şimdiye dek yalnızca çok küçük moleküller, hatada gürültü baskın.

Çalıştığı yer: hiçbir bilgisayar. Kuantum donanımı; klasik denetimler küçükŞu tarihten beri: 2014 A variational eigenvalue solver on a photonic quantum processor (2014) kaynak

Ab initio moleküler dinamik

Kuvvetlerin her adımda elektronlardan yeniden hesaplandığı zamanda hareket eden atomlar; böylece bağlar önceden belirlenmiş bir kuvvet alanı olmadan kopar ve oluşur.

Yanıtladığı soru: Kuvvetleri doğrudan kuantum mekaniğinden geldiğinde atomlar nasıl hareket eder ve bağ kurar?

Dışarıda bıraktığı: Yalnızca pikosaniyeler boyunca yüzlerce atom izlenebilir ve yoğunluk fonksiyoneli hataları her kuvvete girer.

Çalıştığı yer: yaklaşık 10¹⁶ FLOPS yaklaşık büyük bir kota ile onlarca pikosaniye için yüzlerce atom.Şu tarihten beri: 1985 Car ve Parrinello'nun moleküler dinamik ve yoğunluk fonksiyonel kuramı için birleşik yaklaşımı. kaynakSimülasyonlar ağacında: Ab initio moleküler dinamik

Yol integrali moleküler dinamiği

Atom çekirdekleri, her biri bağlı kopyalardan oluşan bir halka olarak gösterilerek kuantum nesneleri olarak ele alınır; böylece tünelleme ve sıfır nokta hareketi hidrojen bağlarını ve difüzyonu kaydırır.

Yanıtladığı soru: Hidrojenin kuantum etkileri su ve buzun davranışını ne kadar değiştirir?

Dışarıda bıraktığı: Gerçek zamanlı kuantum davranışı geri kazanılmaz, yalnızca denge ve yaklaşık dinamik özellikler kazanılır.

Çalıştığı yer: yaklaşık 10¹⁵ FLOPS yaklaşık atom başına onlarca kopya, klasik dinamiğin maliyetini katlar.Şu tarihten beri: 1984 Parrinello ve Rahman'ın erimiş tuzda tuzağa düşmüş bir elektronun yol integrali simülasyonu. kaynak

Gerçek zamanlı elektron dinamiği

Bir molekülün ya da kristalin elektron bulutu, bir ışık atımı çarptığında zaman içinde izlenir; soğurma tayflarını ve ultra hızlı tepkiyi bulmak için.

Yanıtladığı soru: Işık geldikten sonraki ilk femtosaniyelerde elektronlar nasıl tepki verir?

Dışarıda bıraktığı: Yaklaşık değiş tokuş-bağıntı fonksiyoneli bazı uyarılmaları kaçırır ve iyonlar genellikle dondurulur.

Çalıştığı yer: yaklaşık 10¹⁶ FLOPS yaklaşık binlerce adım boyunca zaman adımlı bir yoğunluk fonksiyonel kuramı çalıştırması.Şu tarihten beri: 1996 Yabana ve Bertsch'in gerçek zamanlı zamana bağlı yerel yoğunluk yaklaşımı. kaynak

Kuantum dalga paketi dinamiği

Küçük bir molekülün çekirdekleri, tepkimeyi, tünellemeyi ve titreşimi tam olarak izlemek için enerji yüzeyi boyunca ilerleyen bir kuantum dalgası olarak ele alınır.

Yanıtladığı soru: Çekirdekleri kuantum mekaniğine uyduğunda bir molekül nasıl titreşir ve tepkimeye girer?

Dışarıda bıraktığı: Maliyet atom sayısıyla hızla artar, bu yüzden yalnızca küçük moleküller ele alınabilir.

Çalıştığı yer: yaklaşık 10¹³ FLOPS yaklaşık onlarca serbestlik derecesi için çok yapılandırmalı yayılım.Şu tarihten beri: 1990 Meyer, Manthe ve Cederbaum'un çok yapılandırmalı zamana bağlı Hartree yaklaşımı. kaynak

Geçiş durumu ve tepkime yolu araması

İki atom düzeni arasındaki en düşük enerjili yol, tepkime engellerini ve hızlarını bulmak için bir ara görüntü zincirini gevşeterek bulunur.

Yanıtladığı soru: Bir molekül ya da kusur biçim değiştirirken atomlar hangi engeli aşmak zorundadır?

Dışarıda bıraktığı: Tahminin yakınında var olan yolları bulur ve gerçek en düşük engeli kaçırabilir.

Çalıştığı yer: yaklaşık 10¹⁴ FLOPS yaklaşık her görüntü bir elektronik yapı hesabı gerektirir ve zincir boyunca tekrarlanır.Şu tarihten beri: 1998 Jonsson, Mills ve Jacobsen'in en düşük enerji yolları için itilmiş elastik bant yöntemi. kaynak

Otomatik tepkime mekanizması üretimi

Kurallar, bir molekül kümesinin geçirebileceği her tepkimeyi üretir; sonra bir hız modeli bunları yanma ya da piroliz için bir mekanizmaya ayıklar.

Yanıtladığı soru: Bir yakıt yanarken ya da parçalanırken hangi tepkimeler önemlidir?

Dışarıda bıraktığı: Hız katsayıları grup kurallarından tahmin edilir ve yaygın olmayan yollar seyrek sınanır.

Çalıştığı yer: yaklaşık 10⁸ FLOPS yaklaşık binlerce türde ağ büyümesi, artı kinetik çalışmalar.Şu tarihten beri: 1994 Broadbelt, Stark ve Klein'ın anında tür ve tepkime üretimiyle bilgisayar üretimli piroliz modellemesi. kaynak

Elektronlar için kuantum Monte Carlo

Rastgele yürüyenler çok elektronlu dalga fonksiyonunu doğrudan örnekler; yoğunluk fonksiyoneli yaklaşımı olmadan moleküllerin ve katıların neredeyse tam enerjilerini verir.

Yanıtladığı soru: Daha ucuz yöntemlere ölçüt olması için bu elektron sisteminin doğru enerjisi nedir?

Dışarıda bıraktığı: Fermiyon işaret problemi, dalga fonksiyonunun düğümlerini sabitleyerek aşılır; bu da cevabı o tahmine bağımlı kılar.

Çalıştığı yer: yaklaşık 10¹⁷ FLOPS yaklaşık bir moleküler kristal için milyonlarca çekirdek saati.Şu tarihten beri: 1980 Ceperley ve Alder'in elektron gazının taban durumunun rastgele hesabı. kaynak

Öğrenilmiş yoğunluk fonksiyonelleri

Bir makine öğrenmesi modeli, yoğunluk fonksiyonel kuramındaki elle kurulmuş yaklaşımların yerini alarak elektron yoğunluğunu enerjiye eşler.

Yanıtladığı soru: Uydurulmuş bir fonksiyonel, kimyagerlerin onlarca yıldır kullandığı elle tasarlanmış olanları geçebilir mi?

Dışarıda bıraktığı: Uydurulmuş fonksiyonel yalnızca eğitim verisinde temsil edilen molekül türleri ve koşullar için güvenilirdir.

Çalıştığı yer: yaklaşık 10¹⁶ FLOPS yaklaşık yüksek doğruluklu referans enerjiler üzerinde eğitim, ardından standart maliyetli bir elektronik yapı çalıştırması.Şu tarihten beri: 2012 Snyder, Rupp, Hansen, Müller ve Burke'ün bir model sistem için makine öğrenmesiyle bulduğu yoğunluk fonksiyonelleri. kaynak

Moleküller için sinir ağı dalga fonksiyonları

Bir sinir ağı bir molekülün çok elektronlu dalga fonksiyonu olarak kullanılır ve neredeyse tam enerjilere ulaşmak için varyasyonel Monte Carlo ile eğitilir.

Yanıtladığı soru: Öğrenilmiş bir dalga fonksiyonu küçük bir molekülün elektronlarını ne kadar doğru tanımlayabilir?

Dışarıda bıraktığı: Maliyet elektron sayısıyla hızla artar, bu yüzden yalnızca küçük moleküllere ulaşılabilmiştir.

Çalıştığı yer: yaklaşık 10¹⁸ FLOPS yaklaşık tek bir molekül için onlarca GPU'da günler.Şu tarihten beri: 2019 Pfau ve çalışma arkadaşlarının FermiNet'i, çok elektronlu Schrödinger denkleminin derin sinir ağı çözümü. kaynak

Sıvılar ve çözeltiler

Su ve diğer sıvılar; etkileşen milyonlarca molekül ve içlerinde çözünmüş maddeler olarak.

Yanıtladığı soru: Su neden anormal özellikler gösterir ve tuz nasıl çözünür?

Dışarıda bıraktığı: Atomlar arasındaki kuvvet alanı küçük bir özellik kümesine uydurulmuştur ve geri kalanı yeniden üreteceği garanti değildir.

Çalıştığı yer: yaklaşık 10¹⁴ FLOPS yaklaşık bir masaüstü GPU'su; saniyede milyarlarca molekül adımı.Şu tarihten beri: 1964 Rahman'ın sıvı argonun moleküler dinamiği; su 1971'de Rahman ve Stillinger ile izlendi

Polimerler ve yumuşak madde

Uzun zincirli moleküller, jeller, köpükler ve sıvı kristaller; genellikle boncuklara indirgenerek kaba taneli yapılır.

Yanıtladığı soru: Bir plastik nasıl uzar ve bir jel nasıl donar?

Dışarıda bıraktığı: Kaba taneleme hızlı atomik hareketi atar; bu yüzden bazı süreçlerin zamanlaması yalnızca yaklaşıktır.

Çalıştığı yer: yaklaşık 10¹⁴ FLOPS yaklaşık bir masaüstü GPU'su ya da küçük bir küme, sistem başına saatler.Şu tarihten beri: 1962 Verdier ve Stockmayer'in bir polimer zincirinin ilk kafes Monte Carlo modeli.

Yanma

Yüzlerce kimyasal tepkimeyle eşleşik akışkan akışı olarak alevler.

Yanıtladığı soru: Yakıtı nasıl daha temiz yakarız ya da bir motorun vuruntu yapmasını nasıl önleriz?

Dışarıda bıraktığı: Yüzlerce gerçek tepkime, bilgisayarın her adımda izlemeye gücünün yettiği düzineye indirgenir.

Çalıştığı yer: yaklaşık 10¹⁶ FLOPS yaklaşık büyük bir küme, tam bir motor çevrimi için günler.Şu tarihten beri: 1955 laminer alev denklemlerinin erken sayısal çözümleri.

Kolloidler ve nanoparçacık kümelenmesi

Çevredeki akışkanın ısıl dalgalanmalarıyla sürülen, çarpıştıkça yapışan, dizilen ya da kümelenen binlerce nanoparçacık veya kolloid tanesi.

Yanıtladığı soru: Bu parçacıklar düzenli bir yapıya kendiliğinden mi dizilecek, yoksa düzensiz mi kümelenecek?

Dışarıda bıraktığı: Bir parçacığın yüzey kaplamasının ayrıntıları sonucu güçlü biçimde etkiler ve genellikle tek bir yapışma parametresine indirgenir.

Çalıştığı yer: yaklaşık 10¹³ FLOPS yaklaşık bir iş istasyonu ya da masaüstü GPU'su, montaj çalıştırması başına saatler.Şu tarihten beri: 1986 süspansiyondaki kolloidal parçacıkların erken Brown dinamiği simülasyonları.

Cam oluşumu

Simülasyonda o kadar hızlı soğutulan bir sıvı ki, molekülleri kristalleşmeye vakit bulamadan düzensiz bir katıya sıkışır.

Yanıtladığı soru: Bu sıvı neden düzenli bir kristal yerine düzensiz bir cama donar?

Dışarıda bıraktığı: Simüle edilmiş soğuma, şimdiye dek hiçbir gerçek camın soğutulduğundan çok daha hızlıdır; aradaki fark birçok büyüklük mertebesidir.

Çalıştığı yer: yaklaşık 10¹⁴ FLOPS yaklaşık bir masaüstü GPU'su ya da küçük bir küme, çalıştırma başına saatlerden günlere.Şu tarihten beri: 1976 cama soğutulan bir sıvının erken moleküler dinamik simülasyonları.

Erimiş tuzlar ve iyonik sıvılar

Nötr moleküller değil iyonlar; hiç çözücü içermeyen bir sıvıda güçlü Coulomb kuvvetleriyle etkileşir.

Yanıtladığı soru: Bu sıvı yükü ne kadar iyi iletir ve iyonları nasıl hareket eder?

Dışarıda bıraktığı: İyonlar arasındaki güçlü elektrostatik kuvvetleri bir kuvvet alanında yakalamak, nötr moleküllerinkinden daha zordur ve çoğunlukla yalnızca yaklaşık ele alınır.

Çalıştığı yer: yaklaşık 10¹⁴ FLOPS yaklaşık bir masaüstü GPU'su ya da küçük bir küme, incelenen sıvı başına saatler.Şu tarihten beri: 1983 erimiş bir tuzun erken moleküler dinamik simülasyonları.

Tepkimeli kuvvet alanı dinamiği

Çalışma sırasında bağların oluşup kopmasına izin veren bağ derecesi potansiyelleriyle moleküler dinamik; kuantum yöntemlerinden çok daha düşük maliyetle.

Yanıtladığı soru: Nanosaniyeler içinde binlerce atomda bağlar nasıl kırılır ve oluşur?

Dışarıda bıraktığı: Parametreler kimyaya göre uydurulur ve elektronlar açıkça ele alınmaz.

Çalıştığı yer: yaklaşık 10¹⁶ FLOPS yaklaşık Nanosaniyeler için milyonlarca atomŞu tarihten beri: 2001 ReaxFF: a reactive force field for hydrocarbons (2001) kaynak

Metadinamik ve geliştirilmiş örnekleme

Geçmişe bağlı bir yanlılığın sistemi yerel minimumlardan dışarı ittiği moleküler dinamik; nadir olayları ve serbest enerji yüzeylerini haritalamak için.

Yanıtladığı soru: Düz dinamiğin hiç aşmadığı durumlar arasındaki engeller ne kadar yüksektir?

Dışarıda bıraktığı: Sonuç, iyi kolektif değişkenler seçmeye bağlıdır.

Çalıştığı yer: yaklaşık 10¹⁷ FLOPS yaklaşık Birkaç seçilmiş değişken üzerinde çok sayıda yanlı yörüngeŞu tarihten beri: 2002 Escaping free-energy minima (2002) kaynak

Öğrenilmiş denge örnekleyicileri

Üretken bir ağ, uzun yörüngelerden kaçınarak Boltzmann dağılımından bağımsız moleküler konfigürasyonlar çizmek üzere eğitilir.

Yanıtladığı soru: Bir molekülün nadir durumları, beklemek yerine doğrudan örneklenebilir mi?

Dışarıda bıraktığı: Dinamik ve kinetik kaybolur ve büyük sistemler için eğitim zordur.

Çalıştığı yer: yaklaşık 10¹⁶ FLOPS yaklaşık Eğitim artı yeniden ağırlıklandırmaŞu tarihten beri: 2018 Boltzmann Generators: sampling equilibrium states of many-body systems with deep learning (2018) kaynak

Kinetik Monte Carlo

Bir yüzeyde ya da kristalde, hızlarına göre belirlenen olasılıklarla rastgele seçilerek zıplayan atomlar; böylece saniyeler ya da saatler süren süreçlere ulaşılır.

Yanıtladığı soru: Bir yüzey ya da kristal, atom sıçramaları arasındaki uzun sürelerde nasıl değişir?

Dışarıda bıraktığı: Her olası olay ve hızı önceden listelenmelidir, bu yüzden şaşırtıcı mekanizmalar kaçırılır.

Çalıştığı yer: yaklaşık 10¹¹ FLOPS yaklaşık milyonlarca olay, hızları önceden ilk ilkelerden hesaplanmış.Şu tarihten beri: 1975 Bortz, Kalos ve Lebowitz'in Ising spin sistemleri için olay güdümlü Monte Carlo algoritması. kaynak

Kaba taneli moleküler dinamik

Birkaç atomluk grupların tek bir boncukta birleştirilmesi; böylece zarlar, polimerler ve kendiliğinden bir araya gelen lipitler daha büyük kutularda mikrosaniyeler boyunca izlenebilir.

Yanıtladığı soru: Büyük moleküler topluluklar mikrosaniyeler içinde nasıl oluşur?

Dışarıda bıraktığı: Atomları birleştirmek, hidrojen bağı yönelimi gibi ayrıntıyı atar ve zaman kesin biçimde fiziksel değildir.

Çalıştığı yer: yaklaşık 10¹⁶ FLOPS yaklaşık mikrosaniyeler boyunca milyonlarca boncuk.Şu tarihten beri: 2007 Marrink ve çalışma arkadaşlarının biyomoleküler simülasyonlar için kaba taneli kuvvet alanı. kaynak

Dissipatif parçacık dinamiği

Akışkan öbeklerini temsil eden yumuşak boncuklar sürtünme ve rastgele itmelerle etkileşir; polimerler ve koloidler için büyük ölçeklerde doğru hidrodinamik verir.

Yanıtladığı soru: Polimer ve yüzey etken akışkanlar mezoskopik ölçeklerde nasıl akar ve kendini örgütler?

Dışarıda bıraktığı: Yumuşak potansiyeller, düzeltilmedikçe zincirlerin fiziğe aykırı biçimde birbirini geçmesine izin verir.

Çalıştığı yer: yaklaşık 10¹⁴ FLOPS yaklaşık uzun süreler boyunca milyonlarca boncuk.Şu tarihten beri: 1992 Hoogerbrugge ve Koelman'ın dağılımlı parçacık dinamiğiyle mikroskobik hidrodinamik olayların simülasyonu. kaynak

Gelişmiş örnekleme serbest enerji yöntemleri

Yüksek engelleri aşmak için dürtülen simülasyonlar, örneğin geçmişe bağlı yanlılık eklemek; böylece nadir olaylar ve serbest enerji manzaraları hesaplanabilir.

Yanıtladığı soru: Çekirdeklenme ya da bağlanma gibi nadir bir değişimin serbest enerji maliyeti nedir?

Dışarıda bıraktığı: Cevap, kolektif değişkenlerin seçimine bağlıdır ve eksik bir değişken yanlış bir manzara verir.

Çalıştığı yer: yaklaşık 10¹⁶ FLOPS yaklaşık seçilmiş değişkenler boyunca uzun yanlı çalışmalar.Şu tarihten beri: 2002 Laio ve Parrinello'nun metadinamikle serbest enerji minimumlarından kaçışı. kaynak

Gözenekli malzemelerde adsorpsiyon

Gözenekli bir katının modelinde rastgele eklenen ve çıkarılan gaz molekülleri; bir zeolit ya da çerçeve malzemesinin ne kadar adsorbe edeceğini öngörmek için.

Yanıtladığı soru: Gözenekli bir malzeme belirli bir basınçta ne kadar gaz tutar?

Dışarıda bıraktığı: Katı çerçeve ve sabit yük yaklaşımları esnek malzemeleri yanlış değerlendirir.

Çalıştığı yer: yaklaşık 10¹³ FLOPS yaklaşık durum noktası başına milyonlarca ekleme, binlerce yapı.Şu tarihten beri: 1975 Adams'ın Lennard-Jones akışkanı için büyük kanonik topluluk Monte Carlo yöntemi. kaynak

Polimer öz-uyumlu alan kuramı

Zincirlerin yerini kendi ortalama çekimini hisseden bir yoğunluk alanı alır; böylece blok kopolimerler ve karışımlar, tek tek zincirleri izlemeden düzenli örüntüleri için çözülebilir.

Yanıtladığı soru: Bir blok kopolimer kendini hangi örüntüye dizer?

Dışarıda bıraktığı: Ortalama alan kuramı, faz sınırlarının yakınında önem kazanan dalgalanmaları yok sayar.

Çalıştığı yer: yaklaşık 10¹² FLOPS yaklaşık üç boyutlu ızgarada difüzyon denklemlerini çözme.Şu tarihten beri: 1965 Edwards'ın dışlanmış hacimli polimerlerin istatistiksel mekaniği. kaynak

Polimerler için zincir büyütmeli Monte Carlo

Boyutlarını, entropilerini ve dışlanmış hacim davranışlarını ölçmek için ağırlıklarla bağ bağ kurulan uzun molekül zincirleri.

Yanıtladığı soru: Uzun, esnek bir zincir ne kadar büyüktür ve neden kendini kesmez?

Dışarıda bıraktığı: Ağırlıklar zincir uzunluğuyla düzensiz büyür; bu yüzden çok uzun olanlar yeniden örnekleme hileleri gerektirir.

Çalıştığı yer: yaklaşık 10⁹ FLOPS yaklaşık milyonlarca zincir, dinamikten çok daha ucuz.Şu tarihten beri: 1955 Rosenbluth ve Rosenbluth'ın moleküler zincirlerin ortalama uzamasının Monte Carlo hesabı. kaynak

Manyetizma ve faz geçişleri

Kafes üzerinde rastgele dönen spinler; klasik Ising modeli ve ondan türeyen modeller, kritik sıcaklıkta düzenin nasıl ortaya çıktığını incelemek için kullanılır.

Yanıtladığı soru: Bir mıknatıs mıknatıslığını neden tam olarak tek bir sıcaklıkta yitirir?

Dışarıda bıraktığı: Gerçek bir mıknatısın, idealleştirilmiş örgünün tasarım gereği dışarıda bıraktığı biçim ve safsızlık ayrıntıları vardır.

Çalıştığı yer: yaklaşık 10¹² FLOPS yaklaşık bir dizüstü bilgisayar; saniyede milyarlarca spin çevirme.Şu tarihten beri: 1953 Metropolis kabul-ret Monte Carlo yöntemi, sonradan spin modelleri için standart araç oldu; 1953 makalesinin kendisi sert diskleri simüle ediyordu kaynakSimülasyonlar ağacında: Metropolis algoritması

Etkileşimli modeli çalıştır

Kırılma ve kusurlar

Bir çatlağın ucundaki atomlar ve metallerin parçalanmak yerine bükülmesini sağlayan kusurlar.

Yanıtladığı soru: Bu malzeme neden bükülmek yerine çatlar?

Dışarıda bıraktığı: Yalnızca birkaç atom genişliğindeki bir çatlak ucu, yine de bütün bir kirişin boyunca uzanan çatlağı temsil etmek zorundadır.

Çalıştığı yer: yaklaşık 10¹⁴ FLOPS yaklaşık bir masaüstü GPU'su ya da küçük bir küme, çatlak çalıştırması başına saatler.Şu tarihten beri: 1976 Ashurst ve Hoover'ın bir çatlak ucunun erken moleküler dinamik simülasyonu.

Mikroyapı

Bir metal katılaşırken ya da ısıl işlem görürken oluşan ve büyüyen kristal taneleri; çoğu zaman faz alanı yöntemiyle.

Yanıtladığı soru: Hangi ısıl işlem en güçlü alaşımı verir?

Dışarıda bıraktığı: Tane sınırları, gerçekte oldukları gibi dağınık kusurlar olarak değil, pürüzsüz matematiksel yüzeyler olarak ele alınır.

Çalıştığı yer: yaklaşık 10¹⁴ FLOPS yaklaşık bir iş istasyonu ya da küçük küme, katılaşan alaşım başına saatler.Şu tarihten beri: 1991 Chen ve Khachaturyan'ın büyüyen bir mikroyapının erken faz alanı modeli.

Granüler malzemeler

Kum, tahıl, tozlar ve haplar, çarpışan ve sıkışan milyonlarca ayrı parçacık olarak.

Yanıtladığı soru: Silo neden tıkanır ve çığ nasıl başlar?

Dışarıda bıraktığı: Gerçek taneler pürüzlü ve düzensizdir; simüle edilenler hemen her zaman idealleştirilmiş kürelerdir.

Çalıştığı yer: yaklaşık 10¹⁴ FLOPS yaklaşık bir masaüstü GPU'su ya da küçük bir küme, aynı anda milyonlarca tane.Şu tarihten beri: 1979 Cundall ve Strack'ın taneli parçacıkların ilk ayrık eleman modeli.

Etkileşimli modeli çalıştır

Dislokasyon dinamiği

Bir kristalin kafesinden geçen çizgi kusurları; hareket ederken, çoğalırken ve dolanırken izlenir ve kalıcı bükülme ya da uzamaya yol açar.

Yanıtladığı soru: Bu metal neden kopmak yerine bükülür ve gerçekte ne kadar güçlüdür?

Dışarıda bıraktığı: Dislokasyonları, mükemmel bir kristalin içindeki temiz çizgiler olarak ele alır; oysa gerçek metaller etkileştikleri başka kusurlarla doludur.

Çalıştığı yer: yaklaşık 10¹⁴ FLOPS yaklaşık bir iş istasyonu ya da küçük küme, çalıştırma başına saatlerden günlere.Şu tarihten beri: 1990 kristal plastisitesinin erken ayrık dislokasyon dinamiği simülasyonları.

İnce film büyümesi

Bir yüzeye teker teker gelip yapışan, zıplayan ya da birbirini gömen atomlar; bir film katman katman oluşurken.

Yanıtladığı soru: Bu film pürüzsüz mü büyüyecek, yoksa pürüzlü ve kusurlarla dolu mu?

Dışarıda bıraktığı: Gerçek biriktirme odalarında, idealleştirilmiş bir atom akısının içermediği kirlenme ve düzensiz akış vardır.

Çalıştığı yer: yaklaşık 10¹³ FLOPS yaklaşık bir iş istasyonu; simüle film başına saatler.Şu tarihten beri: 1966 büyüyen bir yüzeye gelen atomların erken kinetik Monte Carlo modelleri.

Malzemelerde radyasyon hasarı kaskadları

Kristale çarpan hızlı bir atom, komşularını yerinden ederken ve boşluklar bırakırken izlenir; ışınlanmış metallerin nasıl bozulduğunu öngörmek için.

Yanıtladığı soru: Tek bir çarpma bir kristalden kaç atomu söker?

Dışarıda bıraktığı: Kusurlar sonra, çağlayanın çok ötesinde yıllarca evrilir ve aradaki boşluğu kapatmak için başka yöntemler gerekir.

Çalıştığı yer: yaklaşık 10¹³ FLOPS yaklaşık onlarca pikosaniye için milyonlarca atom, birçok çarpma yönü için tekrarlanır.Şu tarihten beri: 1960 Gibson, Goland, Milgram ve Vineyard'ın bir bakır örgüsünde ışınım hasarı dinamiği. kaynak

Alaşım küme açılımı

Bir alaşımın enerjisi, komşu atomların küçük kümeleri üzerinden bir toplam olarak yazılır; böylece düzen ve faz diyagramı Monte Carlo ile örneklenebilir.

Yanıtladığı soru: Bir alaşım atomların hangi düzenlerini yeğler ve ne zaman düzen kazanır?

Dışarıda bıraktığı: Genişleme belli bir kafese sabitlenmiştir ve titreşim ile manyetik katkıları kaçırabilir.

Çalıştığı yer: yaklaşık 10¹² FLOPS yaklaşık ilk ilkelerden hesaplanmış yüzlerce enerji, ardından ucuz kafes Monte Carlo.Şu tarihten beri: 1984 Sanchez, Ducastelle ve Gratias'ın çok bileşenli sistemlerin genelleştirilmiş küme tanımı. kaynak

Kristal plastisitesi sonlu eleman modelleme

Belirli kristal düzlemleri boyunca kayarak, bireysel yönelimleriyle biçim değiştiren metal taneleri; dayanımı, dokuyu ve şekillenme davranışını öngörmek için.

Yanıtladığı soru: Kristal yönelimleri bir metalin nasıl eğilip sertleşeceğini nasıl belirler?

Dışarıda bıraktığı: Sertleşme yasaları testlere göre uydurulmuştur ve tek tek dislokasyonların hafızasını taşımaz.

Çalıştığı yer: yaklaşık 10¹² FLOPS yaklaşık binlerce tanenin sonlu eleman modelleri.Şu tarihten beri: 1982 Peirce, Asaro ve Needleman'ın sünek tek kristallerde düzgün olmayan ve yerelleşmiş biçim değiştirmenin çözümlemesi. kaynak

Mikromanyetik simülasyon

Bir mıknatıstaki mıknatıslanma yönü, manyetik bölgelerin (domenlerin) nasıl oluştuğunu ve değiştiğini izlemek için; değiş tokuş, anizotropi ve kaçak alanlarla birlikte hücrelere ayrıklaştırılır.

Yanıtladığı soru: Bir nanomıknatısın mıknatıslanması nasıl yön değiştirir?

Dışarıda bıraktığı: Sıcaklık kaba biçimde ele alınır ve değişim uzunluğundan büyük hücreler ayrıntı kaybeder.

Çalıştığı yer: yaklaşık 10¹² FLOPS yaklaşık milyonlarca hücreli sonlu fark çalıştırmaları.Şu tarihten beri: 1988 Schabes ve Bertram'ın ferromanyetik küplerde mıknatıslanma süreçlerinin üç boyutlu mikromanyetik çalışması. kaynak

Organik yarı iletken yük taşınımı

Düzensiz moleküller arasında zıplayan elektronlar ya da boşluklar, plastik elektroniğinde hareketliliği öngörmek için rastgele yürüyüşlerle simüle edilir.

Yanıtladığı soru: Yükler düzensiz bir organik malzemede ne kadar hızlı hareket eder?

Dışarıda bıraktığı: Sıçrama hızları varsayılmış biçimlerdir ve morfoloji ideal hâle getirilmiştir.

Çalıştığı yer: yaklaşık 10¹¹ FLOPS yaklaşık Büyük kafeslerde Monte Carlo sıçramaları.Şu tarihten beri: 1993 Bassler'ın düzensiz organik fotoiletkenlerde yük taşınımının Monte Carlo simülasyonu. kaynak

Kafes ısıl iletkenlik hesabı

Kafes titreşimlerinin taşıdığı ısı ve saçılma hızları ilk ilkelerden hesaplanır; bir kristalin ısıl iletkenliği uydurma yapmadan öngörülür.

Yanıtladığı soru: Bir kristal, yalnızca atomlardan yola çıkarak ısıyı ne kadar iyi taşır?

Dışarıda bıraktığı: Güçlü ölçüde anharmonik ve düzensiz malzemeler için ek bir yöntem gerekir.

Çalıştığı yer: yaklaşık 10¹⁵ FLOPS yaklaşık bir süper hücrede binlerce kuvvet hesabı.Şu tarihten beri: 2007 Broido, Malorny, Birner, Mingo ve Stewart'ın yarı iletkenlerin öz örgü ısıl iletkenliğini ilk ilkelerden hesaplaması. kaynak

Difüzyonla sınırlı kümelenme

Büyüyen bir kümeye yapışana kadar rastgele dolaşan parçacıklar; dendritler ve mineral çökeltileri gibi dallanan fraktallar üretir.

Yanıtladığı soru: Rastgele yürüyenler neden dallanan fraktal kümeler büyütür?

Dışarıda bıraktığı: Yüzey enerjisi ya da kimya olmadan yalnızca tek bir idealleştirilmiş büyüme kuralını modeller.

Çalıştığı yer: yaklaşık 10⁸ FLOPS yaklaşık bir kafes üzerinde milyonlarca yürüyen.Şu tarihten beri: 1981 Witten ve Sander'in difüzyonla sınırlı kümelenmesi, kinetik bir kritik olgu. kaynak

Kristallerin üretken modelleri

Bilinen kristallerle eğitilmiş bir difüzyon ya da varyasyonel model yeni periyodik yapılar önerir; bunlar sonra kuantum mekaniksel hesaplarla denetlenir ve gevşetilir.

Yanıtladığı soru: Bir model, bilinenleri taramak yerine kararlı yeni malzemeler hayal edebilir mi?

Dışarıda bıraktığı: Önerilen yapıların çoğu kararsızdır ya da yapılamaz ve model bunların hiçbirinin nasıl sentezleneceğini bilmez.

Çalıştığı yer: yaklaşık 10¹⁸ FLOPS yaklaşık haftalarca GPU eğitimi, ardından bir elektronik yapı denetimleri hattı.Şu tarihten beri: 2021 Xie ve arkadaşlarının periyodik malzeme üretimi için kristal difüzyon değişimsel otokodlayıcısı. kaynak

Kataliz

Bir katalizörün yüzeyine yapışan, tepkimeye giren bir molekül; tepkime için gereken enerjiyi düşüren yolu bulmak için adım adım hesaplanır.

Yanıtladığı soru: Hangi yüzey ve üzerindeki hangi atom düzeni bu tepkimeyi en çok hızlandırır?

Dışarıda bıraktığı: Gerçek katalizörlerde, temiz ve kusursuz bir model yüzeyin hiç uğraşmak zorunda kalmadığı kusurlar, zehirler ve yaşlanma vardır.

Çalıştığı yer: yaklaşık 10¹⁵ FLOPS yaklaşık bir üniversite kümesi, aday katalizör yüzeyi başına günler.Şu tarihten beri: 1995 bir katalizör yüzeyi boyunca bir tepkime yolunu haritalayan erken kuantum hesapları.

Pil ve elektrokimyasal hücre modelleme

Bütün bir pil ya da yakıt hücresi, elektrotları, elektroliti ve arayüzleriyle, birçok döngü boyunca yük, boşalma ve ısınma üzerinden birlikte modellenir.

Yanıtladığı soru: Bu hücre bozulmadan önce kaç döngü dayanır ve ne kadar ısınır?

Dışarıda bıraktığı: Yıllarca süren gerçek kullanımdaki bozulma hâlâ çoğunlukla kısa hızlandırılmış testlerden ekstrapole edilir, doğrudan simüle edilmez.

Çalıştığı yer: yaklaşık 10¹⁴ FLOPS yaklaşık bir iş istasyonu ya da küçük küme, simüle bisiklet testi başına saatler.Şu tarihten beri: 1975 bir pil elektrodunun yüklenmesi ve boşalmasının erken matematiksel modelleri.

Korozyon

Çevresiyle elektrokimyasal bir tepkime yüzünden atom kaybeden bir metal yüzey; çukurlaşırken, incelirken ya da koruyucu bir tabaka oluştururken izlenir.

Yanıtladığı soru: Bu metal delinip paslanmadan önce ne kadar dayanır?

Dışarıda bıraktığı: Gerçek korozyon, ideal modelin dışarıda bıraktığı yerel kirlenmeye, yüzey çiziklerine ve kaçak akımlara güçlü biçimde bağlıdır.

Çalıştığı yer: yaklaşık 10¹³ FLOPS yaklaşık bir iş istasyonu; korozyon senaryosu başına saatler.Şu tarihten beri: 1970 çukurlaşma ve elektrokimyasal korozyonun erken bilgisayar modelleri.

Kristalleşme

Aşırı doymuş bir çözeltideki moleküllerin ya da iyonların birbirini bulup büyüyen bir kristal kafese kilitlenmesi; bir bileşiğin nasıl kristalleşeceğini öngörmek için kullanılır.

Yanıtladığı soru: Bu süreç gerçekte hangi şekil ve boyutta kristaller üretecek?

Dışarıda bıraktığı: Çekirdeklenme, yani ilk kümenin oluşması, doğrudan gözlemlenemeyecek ya da tümüyle hesaplanamayacak kadar hızlı bir ölçekte ve hızda gerçekleşir.

Çalıştığı yer: yaklaşık 10¹³ FLOPS yaklaşık bir iş istasyonu ya da küçük küme, simüle edilen parti başına saatler.Şu tarihten beri: 1988 aşırı doygun bir çözeltiden çekirdeklenme ve büyümenin erken hesaplanmış modelleri.

Kimyasal reaktör mühendisliği

Bir endüstriyel kabın içindeki akışkan akışı, karışma, ısı ve yüzlerce tepkime adımı birlikte modellenir; ne kadar ürün çıkacağını öngörmek için.

Yanıtladığı soru: Bu reaktör tasarımı temiz ve güvenli bir tepkime için yeterince hızlı karışıp soğuyacak mı?

Dışarıda bıraktığı: Küçük bir test reaktöründen tam ölçekli bir endüstriyel reaktöre geçerken, mühendislerin deneyimle düzelttiği biçimlerde yine de doğruluk kaybedilir.

Çalıştığı yer: yaklaşık 10¹⁵ FLOPS yaklaşık bir üniversite ya da sanayi kümesi, incelenen tasarım başına günler.Şu tarihten beri: 1970 endüstriyel bir kimyasal reaktörün erken hesaplamalı akışkanlar dinamiği modelleri.

Polimerleşme kinetiği

Küçük moleküller her seferinde bir tepkime adımıyla birbirine bağlanıp uzun zincirler oluşturur; zincirlerin ne kadar uzayacağını ve ne kadar düzgün olacağını tahmin etmek için izlenir.

Yanıtladığı soru: Polimer zincirleri ne kadar uzun olacak ve bu ne kadar değişecek?

Dışarıda bıraktığı: Zincirleri erken dallandıran ya da sonlandıran yan tepkimeler genellikle birkaç ortalama hıza basitleştirilir.

Çalıştığı yer: yaklaşık 10¹² FLOPS yaklaşık bir dizüstü bilgisayar; tam bir toplu simülasyon dakikalar sürer.Şu tarihten beri: 1968 zincir büyütmeli bir polimerleşmenin erken hesaplanmış kinetik modelleri.

Yakıt hücresi zarı ve taşınım modelleme

Bir yakıt hücresinin zarından ve elektrotlarından geçen su, protonlar ve gaz; performansı ve ne zaman kuruyacağını ya da su basacağını öngörmek için.

Yanıtladığı soru: Su ve yük bir yakıt hücresi zarından nasıl geçer?

Dışarıda bıraktığı: Zar taşınımı uydurulmuş yasalara dayanır ve gözeneklerdeki sıvı suyu modellemek zordur.

Çalıştığı yer: yaklaşık 10¹⁰ FLOPS yaklaşık iki ya da üç boyutlu hücre modelleri, iş istasyonunda hafif.Şu tarihten beri: 1991 Springer, Zawodzinski ve Gottesfeld'in polimer elektrolit yakıt hücresi modeli. kaynak

Gözenek ağı modellemesi

Gözenekli bir kaya ya da elektrot, akışkanın adım adım işgal ettiği gözenek ve boğazlardan oluşan bir ağa indirgenir; akışı ve kılcal davranışı öngörmek için.

Yanıtladığı soru: Bir sıvı gözenekli bir malzemeyi nasıl doldurur ve içinde nasıl hareket eder?

Dışarıda bıraktığı: Gerçek gözenek şekilleri borulara ve kürelere basitleştirilmiştir.

Çalıştığı yer: yaklaşık 10¹⁰ FLOPS yaklaşık milyonlara kadar gözenekten oluşan ağlar, doğrudan akışa kıyasla ucuz.Şu tarihten beri: 1956 Fatt'ın gözenekli ortamın ağ modeli. kaynak