Rechencluster
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Im Rahmen der Forschung wurde der Rechencluster zur Durchführung von Simulationen in drei Bereichen genutzt: quantenmechanische Dichtefunktionaltheorie-Rechnungen (DFT), atomistische und vergröberte Molekulardynamiksimulationen. DFT wurde genutzt, um einen Einblick in die elektronischen Eigenschaften unterschiedlicher Systeme zu gewinnen. Auf dieser Ebene haben wir uns mit der Stabilität von kleinen Nanodiamanten, DNA und Hybriden aus Nanostrukturen und Biomolekülen beschäftigt. Um die Transporteigenschaften von molekularen Schaltungen, 2D-Heterostrukturen und Nanoporen zu berechnen, haben wir desweiteren DFT zusammen mit Nichtgleichgewichts-Greensfunktionen (NEGF) verwendet und mehrere Simulationen durchgeführt. Mithilfe dieser Simulationen konnten wir ein DNA- Sequenzierungsverfahren optimieren, welches auf der Translokation von DNA durch funktionalisierte Nanoporen basiert. Weiterhin ist es uns mit DFT-NEGF gelungen, die Bedeutung der Grenzfläche in einer 2D-Struktur und deren Einfluss auf ihre elektronischen Eigenschaften zu identifizieren. Für andere Materialien konnten wir mit dieser Simulationsmethode Strom-Spannungs-Kurven ausrechnen. Zusätzlich zur DFT haben wir auch die zeitabhängige DFT (TDDFT) verwendet, um die optischen Eigenschaften von kleinen diamantartigen Strukturen in Wechselwirkung mit DNA zu berechnen. Auf dem Cluster wurden atomistische Simulationen durchgeführt, um Wechselwirkungen in Lösungen zu untersuchen und Kraftfelder zu parametrisieren. Die Simulationssoftware GROMACS kann Grafikkarten (GPUs) zur Beschleunigung der Berechnungen benutzen. Dies ermöglicht es, sehr lange Zeitspannen in der Simulation abzudecken (hier bis zu mehreren Mikrosekunden), was für die verlässliche Interpretation unserer Forschungsergebnisse wichtig ist. Insbesondere beschäftigten wir uns mit molekularen Wechselwirkungen zwischen verschiedenen Komponenten einer Lösung, z.B. von Lösungsmittelmolekülen, Ko-Soluten und Soluten wie DNA, Proteinen, Polyelektrolyten und einfachen Ionen. Die Ergebnisse der Simulationen konnten dabei Konformationsänderungen der Solute durch die Akkumulation von Ko-Soluten aufzeigen. Diese waren mittels molekularer Theorien von Lösungen erklärbar. Hierbei interessierten wir uns insbesondere für DNA-Harnstoff-Wechselwirkungen und die Auswirkungen von Harnstoff und Trimethylaminoxid (TMAO) auf Poly(N-Isopropylacrylamid) (PNIPAM, ein thermoresponsives Polymer). Die Anwesenheit von Harnstoff führt zu einer Entfaltung der DNA, während die Auswirkungen auf PNIPAM von deutlich komplexerer Natur sind. Da diese Phänomene typischerweise auf der Nanosekundenskala stattfinden, können solche Simulationen nicht auf einfachen Computern durchgeführt werden. Weiterhin wurde der Cluster intensiv für Kraftfeldparametrisierungen genutzt. So konnte kürzlich ein polarisierbares MARTINI-Kraftfeld für Ionen und Wasser (refIon und refPOL) veröffentlicht werden, was eine wichtige Erweiterung des MARTINI-Kraftfeldes darstellt. Weiterhin wurden atomistische Kraftfelder für Lithiumsalze und organische Lösungsmittel parametrisiert, um die dynamischen und strukturellen Eigenschaften von organischen Elektrolytlösungen zu untersuchen. Ebenso wurden polarisierbare Kraftfelder für vergröberte ionische Flüssigkeitsmodelle entwickelt. Vergröberte Molekulardynamiksimulationen wurden genutzt, um weiche Materie zu simulieren. Hier lag der Schwerpunkt auf geladenen oder magnetischen Systemen und aktiver Materie. Am ICP wird zu diesem Zweck die Software EPSResSo (www.espressomd.org) entwickelt. ESPResSo ist hochparallelisiert und nutzt GPUs für die Rechenbeschleunigung, wodurch es die Clusterressourcen sehr effizient nutzen kann. Insbesondere Molekulardynamiksimulationen, die an Lattice-Boltzmann koppeln um eine umgebende Flüssigkeit zu simulieren, profitieren davon. Ein herausragendes Ergebnis war die numerische und analytische Berechnung des Knickverhaltens einer Kette von dipolaren Kolloiden, die mit experimentellen Beobachtungen übereinstimmte. Weiterhin haben wir die Dynamik von DNA in einer Pore und unter dem Einfluss von Scherflüssen untersucht. Ebenso wurde das Verhalten von Nanoschwimmern in Kanälen und unbeschränkten Flüssigkeiten betrachtet. Zudem wurden polyionische Flüssigkeiten simuliert. In allen Fällen bestand der Beitrag des Clusters in der Bereitstellung der benötigten Rechenressourcen für die Simulationen und deren effizienter Auswertung.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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“Buckling of paramagnetic chains in soft gels.” Soft Matter, 12.1, 228-237 (2016)
S. Huang, G. Pessot, P. Cremer, R. Weeber, C. Holm, J. Nowak, S. Odenbach, A. M. Menzel, G. K. Auernhammer
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“Capacitance of Nanoporous Carbon- Based Supercapacitors Is a Trade-Off between the Concentration and the Separability of the Ions.” The Journal of Physical Chemistry Letters, 7.19, 4015-4021 (2016)
R. Burt, K. Breitsprecher, B. Daffos, P. Taberna, P. Simon, G. Birkett, X. S. Zhao, C. Holm, and M. Salanne
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“Concentration dependent effects of urea binding to poly(N-isopropylacrylamide) brushes: a combined experimental and numerical study.” Physical Chemistry Chemical Physics, 18, 5324-5335 (2016)
S. Micciulla, J. Michalowsky, M. A. Schroer, C. Holm, Christian, R. von Klitzing, and J. Smiatek
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“Diamondoid-functionalized gold nanogaps as sensors for natural, mutated, and epigenetically modified DNA nucleotides.” Nanoscale, 8, 10105-10112 (2016)
G. Sivaraman, R.G. Amorim, R.H. Scheicher, and M. Fyta
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“A dsDNA model optimized for electrokinetic applications.” Soft Matter, 3918-3926 (2017)
T. Rau, F. Weik, and C. Holm
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“A refined polarizable water model for the coarse-grained MARTINI force field with long-range electrostatic interactions.” The Journal of Chemical Physics, 146.5, 054501 (2017)
J. Michalowsky, L. V. Schäfer, C. Holm, and J. Smiatek
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“The properties of residual water molecules in ionic liquids: a comparison between direct and inverse Kirkwood-Buff approaches.” Physical Chemistry Chemical Physics, 19, 18924-18937 (2017)
T. Kobayashi, J. Reid, S. Shimizu, M. Fyta, and J. Smiatek
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“The stretching force on a tethered polymer in pressure-driven flow.” The Journal of Chemical Physics, 147.3, 034902 (2017)
K. Szuttor, T. Roy, S. Hardt, C. Holm and J. Smiatek
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“First-Principles Parametrization of Polarizable Coarse-Grained Force Fields for Ionic Liquids.” Journal of Chemical Theory and Computation, 14.3, 1471-1486 (2018)
F. Uhlig, J. Zeman, J. Smiatek, and C. Holm
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“Microphase separation and the formation of ion conductivity channels in poly(ionic liquid)s: a coarse-grained molecular dynamics study.” J. Chem. Phys., 148, 193824 (2018)
A. Weyman, M. Bier, C. Holm, and J. Smiatek
