LICC, Laboratorio Interdipartimentale
di Chimica Computazionale
Antonino Polimeno
Università degli Studi di Padova
Facoltà di Scienze Matematiche, Fisiche e Naturali
Dipartimento di Scienze Chimiche
1. Software
Chimica ?
9 È una scienza di base, con solide radici nel pensiero
culturale moderno, non solo scientifico
9 È una disciplina insieme antica e modernissima
9 Usa gli strumenti forniti dalla fisica e dalla matematica
per comprendere e descrivere la materia organizzata a
livello molecolare
9 Dà un contributo
tecnologico
primario
al
nostro
sviluppo
Robert Boyle (1627-1691)
Antoine Lavoisier (1743-1794)
Stanislao Cannizzaro (1826–1910)
Linus Pauling (1901-1994)
Chimica teorica/computazionale (1)
La chimica teorica è la branca della chimica
che si occupa dello sviluppo di modelli
matematici,
matematici basati sulla meccanica classica e
sulla meccanica quantistica, di sistemi chimici
(molecole singole, cluster/aggregati, sistemi
supramolecolari e fasi/materiali).
Chimica teorica/computazionale (2)
La chimica computazionale è la branca della
chimica che si occupa dell’implementazione dei
modelli teorici nella forma di codici di calcolo e
della loro applicazione alla simulazione di
sistemi chimici, con lo scopo di calcolarne le
grandezze fisiche caratteristiche e prevederne le
proprietà chimiche.
Chimica teorica/computazionale (3)
9 La potenza predittiva delle simulazioni è legata alle
caratteristiche delle macchine che si hanno a
disposizione.
9 Il numero di operazioni floating-point per secondo
(FLOPS) e la capacità di memoria sono i più importanti
parametri che determinano la possibilità di eseguire
simulazioni in tempi ragionevoli.
9 Nonostante già nei primi anni del XX secolo il supporto
teorico per la formulazione dei modelli fosse pronto, il
grande sviluppo della chimica computazionale si è
avuto negli ultimi 30 anni,
anni proprio perché si è iniziato a
disporre di sistemi hardware sufficientemente potenti.
da www.wikipedia.org (Chimica computazionale)
cdc.6600 card reader (1964)
Blue Gene: 70.72 Teraflops (2004)
Chimica computazionale (1)
9 Il calcolo permette di interpretare i dati
sperimentali (es. spettroscopie ottiche e
magnetiche) relativi a sistemi chimici esistenti
9 Il calcolo permette di determinare le proprietà di
sistemi molecolari che per motivi tecnici od
economici non sono misurabili sperimentalmente
9 I metodi della chimica computazionale possono
essere di grande utilità per la progettazione di
nuovi sistemi chimici (design molecolare) con le
proprietà chimico-fisiche desiderate
Meccanica e dinamica molecolare
Force field MM
Distribuzione di carica
Meccanica quantistica
2. Hardware
Dipartimenti chimici italiani/In rosso sono indicati i dipartimenti con facilities computazionali proprie
Ancona
Padova
Bari
Palermo
Benevento
Parma
Bergamo
Pavia
Bologna
Perugia
Bolzano
Pisa
Brescia
Potenza
Cagliari
Reggio Calabria
Camerino
Rende
Campobasso
Roma
Cassino
Salerno
Castellanza
Sassari
Catania
Siena
Catanzaro
Teramo
Chieti
Torino
Ferrara
Trento
Firenze
Trieste
Foggia
Udine
Genova
Urbino
L'Aquila
Varese
Lecce
Venezia
Macerata
Vercelli
Messina
Verona
Milano
Viterbo
Modena
Napoli
Obiettivi (1)
• La necessità di disporre di strumenti per la chimica
computazionale ha comportato il rafforzamento
dell’impiego intensivo, da parte della comunità chimica
universitaria, dei grandi centri di calcolo
– Cineca,
– Caspur
– Cilea
• Contemporaneamente però si sono venuti a formare,
sull’esempio di altre comunità scientifiche (fisici,
matematici, biologi, astronomi) laboratori di calcolo
locali di piccole o medie dimensioni
Obiettivi (2)
I centri di calcolo locali permettono
• un più agile impiego di risorse per problemi di medie
dimensioni, rispetto alla difficoltà di gestione in remoto
delle risorse
• la possibilità di avviare esperienze formative in loco
per studenti, dottorandi e ricercatori
• la possibilità di un impiego razionale di risorse di
calcolo altrimenti disperse, mediante soluzioni basate
sui sistemi grid
Obiettivi (3)
Diventano inoltre possibili
• la collaborazione con soggetti industriali locali, con chiare ricadute verso i relativi bacini
di utenza e sul mercato,
• il coinvolgimento delle varie componenti chimiche (inter-dipartimentali ed interuniversitarie)
• lo sviluppo di iniziative e progetti di ricerca collegati, che favoriscano la valutazione
(rating) delle strutture dipartimentali sedi dei centri di calcolo
• la realizzazione e sperimentazione di sistemi hardware-software ad alte prestazioni, con
ottimizzazioni di portabilità, scalabilità, modularità e trattamento efficiente e flessibile di
grande masse di dati
• la diffusione dei metodi computazionali in chimica, operando anche da stimolo e da
supporto all’attività didattiva rivolta agli studenti.
La costituzione di centri di calcolo di dimensioni medio-piccole (basate
su cluster di un numero di processori dell’ordine delle centinaia) é
resa possibile dalla loro relativa economicità, anche a fronte di
soluzioni relativamente standardizzate offerte chiavi in mano da varie
compagnie (eg. IBM, Hewlett-Packard, Dell).
OR
RO
eRO
OR
hν
Previsione delle proprietà di materiali
Struttura e dinamica di proteine
Modelli di strutture supramolecolari
Dinamica molecolare di fluidi complessi
Chimica computazionale a PD (1)
• Allocare un cluster di media dimensione con sistema operativo
Linux, dotato di software per calcolo parallelo, degli applicativi e
programmi più comuni
• Trasferire, almeno parzialmente, anche le esistenti risorse
computazionali dei principali gruppi di ricerca del
dipartimento che svolgono intensa attività di calcolo, per una
gestione ottimale, e la costituzione di una grid locale
• Raccogliere e rendere disponibili il software, i prodotti ed i
rapporti interni relativi a metodologie originali sviluppati dai
gruppi di Padova, anche su Web
Chimica computazionale a Padova (2)
•
La facility dovrebbe configurarsi come un servizio generale, fornito dal
Dipartimento ai suoi afferenti, con una quota maggioritaria di utilizzazione
assicurata ai maggiori partecipanti (vedi oltre), ma anche, dietro compenso,
ad altri
•
I componenti dei gruppi di ricerca computazionali presenti LICC potranno
fornire, quando richiesto, una attività di consulenza per la soluzione di
problemi di calcolo, sviluppo di metodologie, interpretazione e
visualizzazione di dati, con l’ausilio se necessario, del personale tecnico
informatico del Dipartimento.
•
Saranno possibili iniziative di training per gli studenti in Chimica, Chimica
industriale e Scienze dei Materiali delle lauree di primo e secondo livello,
nonchè della Scuola di Dottorato in Scienze Molecolari, anche in relazione
all’attività di Chimica Computazionale della Società Chimica Italiana.
Laboratorio Interdipartimentale di
Chimica Computazionale / LICC (1)
• Area: chimica teorica e computazionale / modeling di
materiali / biosistemi / drug design
• Persone: Antonino Polimeno, Maurizio Casarin
Alessandro Bagno, Andrea Vittadini, Giacomo Saielli,
Stefano Moro, Giorgio Moro, Diego Frezzato, Alberta
Ferrarini
• Sede Università degli Studi di Padova
Dipartimento di Scienze Chimiche
Via Marzolo 1, 35131 Padova
• Web: http://www.chimica.unipd.it/licc
LICC (2)
• Laboratorio di calcolo di medie dimensioni che
permette
• un più agile impiego di risorse per problemi di medie
dimensioni, rispetto alla difficoltà di gestione in remoto
delle risorse, più estese ma condivise, di un centro di
calcolo
• la possibilità di avviare esperienze formative in loco per
studenti, dottorandi e ricercatori, e quindi di costituire
pool locali di esperti in chimica computazionale
• la possibilità di un impiego razionale di risorse di
calcolo altrimenti disperse, mediante soluzioni basate
sui sistemi grid
Partner
• Il LICC svolge la sua attività in collaborazione con altri nodi
primari di calcolo inseriti nel circuito VILLAGE che riunisce
gruppi di ricerca universitari e CNR attivi nell’ambito del
modeling chimico. I partner principali del LICC sono
• Università degli Studi di Padova / UniPd
• Università "Federico II" di Napoli / UniNa
• Istituto Nazionale di Scienze e Tecnologie dei Materiali / INSTM
• CIVEN
• Consiglio Nazionale delle Ricerche / CNR
• CNR-IPCF
• CNR-ICPT
• Hewlett Packard
• Finmeccanica
• Accelerys
I cluster sono allocati presso una sala al
pianterreno del DISC (Dipartimento di Scienze
Chimiche) e possono complessivamente fornire
un monte ore di CPU stimabile in circa 3 × 106
ore cpu all’anno.
LICC (3)
• La facility computazionale è situata presso il Dipartimento di
Scienze Chimiche dell’Università degli Studi di Padova e a
regime riunirà le competenze e le risorse dei gruppi di chimica
computazionale padovani
• Il LICC comprenderà un cluster principale (70 quadri-processori
Woodcrest Intel, e macchine aggiuntive rese disponibili da vari
gruppi dipartimentali (cluster già esistenti nel Dipartimento di
Chimica che potranno essere in parte integrati nella struttura
principale).
• Il LICC raccoglierà e renderà disponibili il software, i prodotti ed
i rapporti interni relativi a metodologie originali sviluppati dai
gruppi di Padova, anche su Web.
• Il LICC, all’interno della struttura nazionale VILLAGE , svolgerà
un servizio qualificato di supporto per l’impiego di strumenti
computazionali nell’ambito di imprese e laboratori privati
LICC / expertises (4)
LICC (5)
• Hardware
– Cluster-α (26 nodi / 54 cpu): AMD Opteron + Intel Xeon;
interconnessione Infiniband; OS Linux Red Hat
– Cluster-β (71 nodi / 284 cpu): 71 nodi (blade) Intel Woodcrest Dual
Core, 4 cpu, 2.6 GHz, 2 HD SAS da 72 Gb; interconnessione Infiniband;
OS Linux Red Hat
• Software
– SO base: Linux RedHat 3.0
– Compilatori (64bit): Intel C++ Compiler per Linux, Intel Fortran
Compiler per Linux, Portland Fortran; gnu cc
– Librerie scientifiche: LAPACK, ScaLAPACK, BLAS, CBLAS,
CLAPACK, ATLAS, GNU Library, FFTW, //Ellpack, PETSc
– Software QM: applicativi vari
– Software MD: applicativi vari
3. Grid
Virtual Experiments (click on the experiments below to launch interactive teaching practicals)
Interactive Organic Mechanisms
Metal ions in solution
Superconductor preparation
Organo transition metals
Nickel(II) complexes
Simple inorganic solids
VSEPR
Symmetry
About this site
[ About Us ][ What's Here ][ Plug-ins and Help ]
[ Links ][ Write to Us ]
Awards
June 2002,
ScientificAmerican.com has selected the Virtual Chemistry Laboratory web site
as a winner of the 2002 Sci/Tech Web Awards
NewScientist, Science, Yell, DTI, BBC Education Web Guide..........
*NEW Flash Periodic Table*
"Pre-University Chemistry Course" (an
on-line chemistry course, chapters last
updated Mar. 2003)Winner of the 2001
RSC Exemplarchem Competition.
Webcast Lecture Series Gives users a
unique chance to view lectures in streamed
video format, allowing them to experience
lectures by leading figures from home.
*NEW* (Dec 2004)
Interactive Organic Mechanisms A
tutorial aimed at assisting in the
understanding of simple reaction
mechanisms. *NEW* (Oct 2004)
Reaction Mechanisms At A Glance A
tutorial based on the book of the same
name by Dr Mark Maloney
Virtual Environments (explore a virtual
Oxford taking you from the historic heart
of the city to the university science
buildings and into the chemistry teaching
laboratories and lecture theatre)
Solid State Chemistry A comprehensive
online Chemistry course covering solid
state compounds.
Pericyclic Chemistry Online Resource
(an online resource on Pericyclic Chemistry
- based on Third Year Lecture course by
Dr. J Robertson) Winner of the 2003 RSC
Exemplarchem Competition.
Chemistry Film Studio (a section which
shows the experiments that you want to
see on the web. Write to us now with your
ideas.)
Assigning Spectra (an interactive tutorial
on the analysis of IR and Raman Spectra
using Group Theoretical methods.) Overall
Winner of the 2002 RSC Exemplarchem
Competition.
Synthesis of Ketones (an interactive
tutorial on the Claisen reaction and
synthesis of ketones from β-ketoesters.)
Chemistry QuickTime TV(view several
12 minute streaming online TV channels
explaining key topics to chemistry). You
need QuickTime 4 to watch.
Last Update March 2005
Virtual Chemistry created, designed & maintained by final year MChem research students
in the Department of Chemistry, University of Oxford Copyright 1996-2005
Virtual Italian Laboratory for Large-scale Applications in a Geographically-distributed Environment
SeaSandS
(Scientific
Environment Aimed to an
in Silico Approach to
Nanomaterial Design and
Structure)
SeaSailS
(Scientific
Environment Aimed to an in
Silico Approach to Innovation
in Life Sciences)
LICC / VILLAGE
SeaIsleS
(Scientific
Environment Aimed to an In
Silico
Laboratory
for
Environmental Sciences)
Web
9http://www.cineca.it
9http://malice.cineca.it
9http://www.caspur.it
9http://www.wikipedia.org
9http://www.chem.swin.edu.au/chem_ref.html
9http://www.chimica.unipd.it/licc
9http://village.unina.it
... l’abitudine a penetrare la materia, a volerne sapere la
composizione e la struttura, a prevederne le proprietà e il
comportamento, conduce ad un insight, ad un abito mentale di
concretezza e di concisione, al desiderio costante di non fermarsi
alla superficie delle cose. La chimica è l’arte di separare, pesare e
distinguere: sono tre esercizi utili anche a chi si accinge a
descrivere fatti o a dare corpo alla propria fantasia...”
(“ Ex chimico”, P. Levi)
