Ikuspegi orokorra

Erreakzio Kimikoen Dinamika Molekularrak eta Dinamika Kimikoak erreakzioan parte hartzen duten atomo eta molekulen arteko aurkakotasunak ikertzea eskatzen dute. Horretarako, ikuspuntu teoriko zorrotzetik begiratuta, nukleo eta elektroien mugimendu eta interakzioak deskribatzen dituen sistemaren Schrödinger ekuazioa formulatzen da. Ekuazio hori hain da konplexua askaezina dela. Sinplifikatu ahal izateko, Born-Oppenheimer hurbilketa sartzen da, eta horren bidez, elektroien eta nukleoen mugimenduak era bereizian trata daitezke. Hurbilketa horrekin, sistemaren gaineko mugimendu elektronikoaren efektua kontuan hartzen da, nukleoen koordenatuen mende dagoen potentzialeko funtzio baten bidez: energia potentzialaren azala. Erreaktibotasunaren kalkulua nukleoen mugimendurako Schrödinger ekuazioa askatuta egiten da, eta uhin-funtzioa eskuratzen da. Hortik abiatuta, erreakzio-probabilitateak zehazten dira, eta ondoren, atal eraginkor erreaktiboak.

Ikerketaren lehenengo etapa sistemaren atomoen arteko elkarrekintzak era egokian deskribatzen dituen energia potentzialeko azal bat lantzean datza. Elkarrekintzak erreakzioan zehar atomoek dituzten posizio erlatiboen arabera aztertzen dira. Prozedurak bi fase ditu. Lehenengoan nukleoen konfigurazio geometrikoetarako energia potentzialaren balioak zehazten dira, ab initio metodoekin Schrödinger ekuazio elektronikoa askatuta. Bigarren fasean aurrez lortutako balioak interpolatzen eta estrapolatzen dituen funtzio analitiko bat zehazten da. Hala, erreakzioan zehar nukleoen posizio posible guztiak trata daitezke.

Ikerketaren bigarren etapa talkan zehar nukleoen mugimendua aztertzeko Schrödinger ekuazioa askatzean datza. Hau da, sistemaren propietate erreaktiboak kalkulatzen dira. Schrödinger ekuazioa askatzean bi zailtasun nagusi agertu ohi dira. Lehenengoa atomoen berrordenatze-prozesuaren konplexutasunetik sortzen da. Izan ere, erabili beharreko koordenatuek era egokian deskribatu behar dute uhin-funtzioa talka osoan; hau da, erreaktiboak, produktuak eta elkarrekintza-gune handiena. Bigarren zailtasuna erreakzioan egon daitezkeen erreaktibo eta produktuen bibro-biraketa egoera anitzetatik sortzen da.

Nukleoen mugimenduaren Schrödinger ekuazioa askatzeko, bi ikuspegi eta bi metodo-talde daude: denboraren mendeko metodoak eta denborarekiko askeak diren metodoak. Denboraren mende dauden metodoetan, energia-tarteak eta denboran zehar gura diren erreaktiboen baldintzak deskribatzen dituen uhin-funtzioa hedatzen da, produktuen gunera iritsi arte. Denborarekiko askeak diren metodoetan, denborarekiko mendekotasuna desagertzen da eta Schrödinger ekuazio geldikorra askatzen da. Horretarako, uhin-funtzioa garatzen da energia potentzialeko hamiltondar funtzioen oinarrian.

Orain arte, tratamendu mekano-kuantiko zorrotza bakarrik aplikatu da, eta oinarrizko erreakzio gutxi batzuei bakarrik. Hori dela-eta, oinarrizko erreakzioen dinamikaren ikerketa Mekanika Klasikoaren legeak erabilita garatzen da, nukleoen mugimendua deskribatzeko. Eskuratzen diren ekuazio diferentzialak erraz askatzen dira eta talkak iraun artean integratuz gero, nukleoen posizio eta abiadura eskura daiteke, edozein unetan. Hau da, erreakzioan parte hartzen duten partikulen ibilbidea edozein unetan jakin daiteke. Hasierako baldintzak dituzten eta modu egokian laginduta dauden ibilbideen zenbaki adierazgarri bat kalkulatuta, erreakzioaren dinamikari buruzko informazioa eskura daiteke. Gainera, ibilbide kuasiklasikoen metodoak (erreaktibo eta produktuekin lotutako egoeren kuantizazioa) konputazio-ezarpen erraza du, eta atomo ugari dituzten sistema erreaktiboei aplikatu ahal zaie.

Oinarrizko erreakzio kimikoen dinamikaren ikerketa teorikoaren alde garrantzitsu bat alde konputazionala da. Izan ere, ibilbideen metodoak eta metodo kuantiko zehatzek kalkulu luze eta konplexuak egitea eskatzen dute. Hau da, kalkuluetarako denbora, memoria eta disko handia behar da, eta beharrezkoa da prestazio handiko konputazioa egitea. Kalkulurako gaitasun handia eta potentzia handiko ordenagailuen erabilgarritasuna behar da. Are gehiago, ikerketa jakin bat garatzeko faktore erabakigarri bat da, eta noski, emaitzak eskuratzeko denbora baldintzatzen du. Teknologia informatikoak geroz eta potentzia handiagoko makinak eskaintzen ditu, eta oso bizkor gainera.

Eboluzio teknologiko horrek aldaketa kualitatibo garrantzitsua izan du azken urteotan. Hain zuzen, orain gutxi arte, ordenagailu guztiek arkitektura sekuentzialak zituzten, eta horietan prozesadore bakarrak exekutatzen zuen kalkulu-programa osoa. Teknologia informatikoaren aldaketa kualitatiboa arkitektura paraleloak dituzten ordenagailuak agertu ahala gertatu da; hau da, hainbat prozesadore dituzten ordenagailuak sortu ahala. Ordenagailu paraleloetan, prozesadore guztiek aldi berean lan egin dezakete programa beraren gainean, edo programa bera datu anitzekin exekuta daiteke. Hala, kalkulu-abiadura ez dago prozesadorearen abiaduraren menpe, eskuragarri dagoen prozesadore-kopuruaren mende baizik. Kalkulu-bolumen handiak lantzeko beste ikuspegi bat sareko konputazioa da (GRID konputazioa). GRID sistema bat hainbat baliabide konputazionalez osatuta dago: ordenagailu heterogeneoak eta geografikoki banatutakoak. Hala, milaka prozesadore eduki daitezke. Gure ikerketa taldean prestazio handiko konputazioa egiten da, nola ordenagailu paraleloekin (Espainiako Superkonputazio Sarea, Barcelona Supercomputing Centre-ko Marenostrum superordenagailua buru dela), hala Europako EGEE GRID sistema duten ordenagailuekin (COMPCHEM elkartearen bidez).