太平洋西北国家实验室的梅利莎·费勒 荣誉:内森·约翰逊|太平洋西北国家实验室 《化学物理杂志》最近的一期特刊强调了太平洋西北国家实验室(PNNL)在开发两个著名的计算化学开源软件包方面的贡献，这两个软件包被世界各地的科学家使用
PNNL的研究人员在开发名为NWChem和CP2K的软件包方面发挥了重要作用
这些程序提供了计算电子结构的补充方法，电子结构是原子行为和化学键的基础
根据本期特刊的摘要，“电子结构社区现在有一个非常多样化的软件包库，可用于对分子和材料进行计算
“NWChem和CP2K都包括在这个武器库中
几十年来，计算化学家一直致力于开发有效解决方程的方法，这些方程描述了电子如何围绕原子运动，原子如何连接形成分子，以及电子如何对刺激做出反应
求解这些方程通常需要消耗计算时间和处理资源的复杂计算
计算化学家精心开发和优化电子结构算法，以平衡计算效率和精确预测，从而在现实环境中重建实际分子和材料系统中的观察结果
“现在，理论、计算技术和处理器硬件都达到了研究者可以经常使用这些软件包的程度，”PNNL大学物理学家和实验室研究员格雷格·申特说
世界各地的研究人员使用原子计算机模拟来解释新的科学现象，解释实验测量，预测材料特性和化学反应产物，并设计新的分子系统
NWChem和CP2K提供信息，使科学家能够有效地调整、控制和设计分子过程，以获得期望的结果
PNNL的研究人员在他们自己的工作中使用这些软件包的结果
他们帮助化学家创造更高效的催化剂；生物学家研究将生物质转化为燃料的蛋白质；电池研究人员研究电解质中的离子转移:地球化学家和环境科学家揭示了生物地球化学转化的分子机制
NWChem:分子和材料的精确基态和激发态性质 西北化学，也被称为西北化学，最早是在20世纪90年代由美国环境分子科学实验室开发的
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能源部，PNNL科学办公室用户设施
它是为了利用大规模并行超级计算机的能力而开发的
代码已经发展到可以在计算设备和个人电脑上运行
NWChem现在广泛应用于世界各地的大学、其他国家实验室和计算机中心
NWChem以不同的精度和细节水平模拟分子和凝聚相系统的基态和激发态电子结构和动力学
NWChem预测的精度和细节使研究人员能够预测一系列系统的性质和实验光谱信号，包括分子、纳米结构、固体和生物分子
CP2K:分子系综的有效计算 CP2K始于2000年，它提供了有效的电子结构模型来模拟凝聚相的大型化学系统，以阐明集体行为
它执行固态、液态、分子、周期、材料、晶体和生物系统的原子模拟
申特将CP2K描述为分子模拟的袖珍多工具，因为它在易于使用的包中具有广泛的功能
该软件结合了统计力学，这使得它有助于捕捉分子系综集体舞蹈中的现象
由于计算的灵活性，CP2K被广泛应用于计算化学领域，并被设计成研究非均相凝聚相体系所必需的高效算法
用户还可以轻松地修改软件，以满足他们的计算需求
在PNNL，西北化工得到了基础能源科学、生物和环境研究以及高级科学计算研究项目的支持，而CP2K的开发得到了基础能源科学项目的资助；所有这些项目都在美国
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能源部，科学办公室
展望未来，PNNL计划继续发展其在基础研究领域推进软件工具的悠久历史
“几十年来，PNNL的研究人员一直致力于开发电子结构计算的软件工具，这些工具已经发展到能够有效地描述复杂现象
申特说:“现在，我们正在开发能够与越来越现实的系统协同工作的软件包。”
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