โปรแกรม simulation สามารถช่วยสร้างแบบจำลองทางเคมีได้จริงหรือ?

          ในวงการวิทยาศาสตร์ทุกวันนี้ประกอบไปด้วยเทคโนโลยี และ ความพร้อมทางเครื่องมืออย่างมากมาย นับไม่ถ้วน ดั่งตัวอย่างเช่น เราอยากจะศึกษาลักษณะพื้นผิววัสดุๆ นึง เราจะทำอย่างไร ในสมัยก่อนอาจจะสังเกต และ ร่างรูปแบบคร่าวๆออกมา ว่าสิ่งนี้คือลักษณะพื้นผิววัสดุที่เรานำมาศึกษานะ หรือที่เห็นได้ชัดที่สุด คือ เซลล์ในจำพวก พืช หรือ สัตว์ ในสมัยก่อนเราอยากทราบลักษณะกายภาพ และ ทางเคมี ของเซลล์พืช หรือ สัตว์ เราอาจจะต้องนำซากพืช หรือ ซากสัตว์ นั้นมาทดสอบและทำการสังเกต รวมทั้งร่างภาพคร่าวๆ ซึ่งมีมากมายหลายขั้นตอน อาจจะทำให้เกิดความคาดเคลื่อนของข้อมูล และ ส่งผลทำให้กินเวลาในระหว่างทดลองเป็นอย่างมาก จึงเป็นที่มาของนักวิทยาศาสตร์ในรุ่นต่อๆมา ว่าเราจะหาวิธีทำอย่างไรให้สามารถลดระยะเวลา รวมทั้ง ลดความผิดพลาดที่อาจจะเกิดก่อนที่จะไปนำทดลองจริง ๆ หรือ สามารถคาดเดาผลการทดลองได้ล่วงหน้า และ อีกทั้งยังปรับปรุงผลได้ก่อนที่จะไปลงมือปฏิบัติในห้องปฏิบัติการจริงๆ จึงเลยเป็นที่มาของคำว่า การสร้างแบบจำลอง หรือ ภาษาอังกฤษเรียกว่า การ simulation นั่นเอง


          ในบทความนี้ผู้เขียนจะพาผู้อ่านทุกท่าน ร่วมไปผจญภัยกับโปรแกรมสร้างแบบจำลองน้องใหม่ทั้งหลาย ที่กำเนิดขึ้นมาเพื่อช่วยในการคำนวณ และ การสร้างแบบจำลองทางฟิสิกส์และเคมี ว่าเป็นโปรแกรมอะไรทำหน้าที่อะไร ถ้าพร้อมแล้วไปกันเลย สถาบัน Pacific Northwest National Laboratory's (PNNL) ได้ทำการพัฒนาโปรแกรมซอฟต์แวร์ที่มีชื่อว่า NWChem และ CP2Kโดยที่ทั้งสองโปรแกรมนี้จะทำการวิเคราะห์ และคำนวณโครงสร้างอิเล็กทรอนิกส์, ปรากฏการณ์ทางเคมี และ ฟิสิกส์, การคาดเดาคุณสมบัติของวัสดุ รวมถึงลักษณะงานวิจัยที่มีความสลับซ้อนมากยิ่งขึ้น ซึ่งนักวิจัยจากทั่วทุกมุมโลกนั้นล้วนแต่ใช้โปรแกรมสร้างแบบจำลองทางอะตอมในการคาดเดาผลการทดลองกันอย่างแพร่หลายมากยิ่งขึ้นใน ณ ปัจจุบัน ในขั้นตอนต่อไปนี้จะเป็นการยกตัวอย่างโปรแกรม ทั้ง สองโปรแกรมกัน ในลำดับต่อไป


          เรามาเริ่มที่โปรแกรม NWChem เป็นโปรแกรมการคำนวณทางเคมี ประกอบไปด้วย ควอนตัมเคมี และ ฟังก์ชั่นพลศาสตร์ของโมเลกุล โดยอ้างอิงจากพื้นฐานระเบียบวิธีการคำนวณทางฟิสิกส์ เช่น DFT หรือ ฟังก์ชั่นทฤษฎีความหนาแน่นของโมเลกุล, ฮาร์ทรี-ฟอร์ก (Hatree-Fock)  เป็นทฤษฎีที่อ้างอิงโดยใช้สมการ ชโรดิงเงอร์ในการพิจารณาอิเล็กตรอนแต่ละตัวเคลื่อนที่ในสนามไฟฟ้า โดยไม่สนใจอันตรกิริยาระหว่างอิเล็กตรอนแต่ละคู่โดยตรง ซึ่งโปรแกรม NWChem นั้นถูกพัฒนาโดย สถาบัน NorthWest Chemistry ในปี1990 ร่วมกับ สถาบัน PNNL โดยที่ซอฟต์แวรของโปรแกรม NWChem นั้นถูกพัฒนาและทำการทดสอบบนซุปเปอร์คอมพิวเตอร์ที่มีประสิทธิภาพที่สูงเอามากๆเลย ดั่งเช่น โครงสร้างทางโมเลกุล ลักษณะโครงสร้างเส้นใยโปรตีน อีกทั้งคุณสมบัติของวัสดุต่างๆ เจ้าตัวโปรแกรมNWChemนี้ถูกใช้อย่างแพร่หลาย ไม่ว่าจะเป็น ในมหาวิทยาลัย เพื่อการเรียนการสอนในคอร์ส การคำนวณทางเคมีฟิสิกส์ ในสำนักงานที่เกี่ยวข้องกับวิจัยและพัฒนา เป็นต้น ข้อดีของเจ้าโปรแกรม NWChem นั้นเหมาะกับงานที่มีรายละเอียดสเกลที่สลับซับซ้อน ดั่งเช่น ในงานด้านการศึกษสภาวะพื้นและถูกกระตุ้นของโครงสร้างอิเล็กทรอนิกส์ และ พลศาสตร์ของโมเลกุล รวมถึง สถานะการควบแน่นของสสาร ทำให้การคำนวณในแต่ละปัญหา แต่ละสภาวะ นั้นมีประสิทธิภาพและมีความแม่นยำสูง อีกทั้ง NWChem นั้นยังเปิดกว้างให้เหล่านักวิจัยสามารถทำการวิเคราะห์และคาดเดาคุณสมบัติ และ ผลการทดลอง จาก สัญญาณสเปคโตรสโคปี รวมถึงการนำไปประยุกต์ใช้ร่วมกันกับงานวิจัยในด้านต่างๆไม่ว่าจะเป็น โครงสร้างนาโน และ ชีวโมเลกุลอีกด้วย  

          เราจบไปแล้วกับโปรแกรม NWChem เรามาต่อกันที่โปรแกรมตัวสุดท้าย ดั่งเช่น CP2K กันเลย CP2K เป็นโปรแกรมที่ถูกพัฒนาขึ้นในปี2000 เป็นโปรแกรมที่ใช้ในการคำนวณทางเคมี รวมถึง ควอนตั้มเคมี และระเบียบวิธีการคำนวนทางฟิสิกส์นั้นเหมือนกันกับโปรแกรม NWChem แต่มีจุดนึงที่ทำให้CP2K นั้นแตกต่างจากโปรแกรม NWChem  ตรงที่โปรแกรม CP2K จะมีประสิทธิภาพในการวิเคราะห์การคำนวณและ สามารถทำได้ในสเกลงานทางเคมีที่มีขนาดใหญ่ขึ้น และ กว้างกว่า NWChem ไม่ว่าจะเป็น การสร้างแบบจำลองทางอะตอมทางของแข็ง ของเหลว โมเลกุลาร์ รวมถึงการคาดการณ์คุณสมบัติของวัสดุ ในระดับโครงสร้างคริสตัลอีกด้วย และอีกทั้งโปรแกรม CP2K นั้นรวบรวมฟังก์ชั่นทุกอย่างให้สั้นกะทัดรัดเหมาะต่อการใช้งาน และ มีความหยืดยุ่นในด้านการคำนวน ทำให้สามารถใช้งานโปรแกรมCP2Kนั้นง่ายมากยิ่งขึ้น           โดยสองโปรแกรมข้างต้นนั้น เป็นตัวอย่างของโปรแกรมการสร้างแบบจำลองทางเคมีและฟิสิกส์ ซึ่งในปัจจุบันนี้มีโปรแกรมสร้างแบบจำลองมากมาย นับไม่ถ้วน ยกตัวอย่างเช่น โปรแกรม Gaussian, QMC หรือ Quantum monte-carlo หรือจะเป็นโปรแกรมล่าสุดอย่าง Openfermion ล้วนแต่เป็นโปรแกรมที่ใช้ในการสร้างแบบจำลองและวิเคราะห์สถานะโมเลกุลของแต่ละอะตอมที่แตกต่างกัน ขึ้นอยู่กับความซับซ้อนและรายละเอียดในแต่ละผู้ใช้งานต้องการแบบไหน ถ้าอยากให้ผู้เขียนนั้นเล่าและแนะนำโปรแกรมsimulation ทางเคมีและฟิสิกส์อื่นๆอีก โปรดติดตามตอนต่อไป

 

ที่มา

• https://phys.org/news/2021-01-insights-atomic-simulation.html
• https://phys.org/news/2014-01-parallel-algorithms-enable-simulation-long-lasting.html
• https://www.cp2k.org
• https://link.springer.com/chapter/10.1007/978-1-4615-5611-4_21
• https://nwchemgit.github.io/Capabilities.html