Τα Δέκα Άρθρα του PRL

5. Ενοποιημένη θεώρηση της μοριακής δυναμικής και της θεωρίας του συναρτησιακού πυκνότητας
("Unified Approach for Molecular Dynamics and Density Functional Theory")
R. Car, M. Parrinello,
Phys. Rev. Lett. 55(1985)2471
Αριθμός αναφορών: 2819

«Έμοιαζε με κοντή κουβέρτα», λέει ο Michele Parrinello καθώς εξηγεί το συνονθύλευμα των θεωρητικών μεθόδων που ήταν διαθέσιμες στις αρχές της δεκαετίας του 1980 για την περιγραφή των κρυσταλλικών και υγρών φάσεων του πυριτίου. «Ξέρετε πως είναι, την τραβάτε για να σκεπάσετε το κεφάλι σας και τα πόδια σας βρίσκονται εκτεθειμένα στο ψύχος, και αντίστροφα». Εκείνη την εποχή ο Parrinello ήταν καθηγητής στη Διεθνή Σχολή Ανωτέρων Μελετών (SISSA), στην Τεργέστη, και το επιστημονικό ενδιαφέρον του είχε στραφεί στις μεταβολές φάσης του τηκόμενου πυριτίου. «Το θέμα ήταν δημοφιλές εκείνη την εποχή», συνεχίζει ο Parrinello. «Το πυρίτιο είναι ημιαγωγός και γνωρίζουμε καλά τις ιδιότητές του στην κρυσταλλική φάση. Όταν τήκεται, κάτι που συμβαίνει στους 1700 βαθμούς Kelvin, μεταβαίνει σε μια μεταλλική κατάσταση. Οι ερευνητές κατέβαλαν κάθε προσπάθεια προκειμένου να ανακαλύψουν δυναμικά κατάλληλα για τη φάση της στερεάς κατάστασης και τη φάση της υγρής κατάστασης».

Ο Parrinello και ο συνάδελφός του στη SISSA, Roberto Car, συμφώνησαν ότι η τεχνολογία των υπολογιστών ήταν αρκετά ανεπτυγμένη ώστε να μπορούν να εφαρμόσουν έναν αριθμό από τεχνάσματα με σκοπό την αποτελεσματική μοντελοποίηση της μεταβολής φάσης μέσω ab initio μοριακής δυναμικής. Η θεωρία του συναρτησιακού πυκνότητας τους επέτρεπε να αντικαταστήσουν το πρόβλημα πολλών σωμάτων της ηλεκτρονιακής δομής με ένα πρόβλημα ενός μεμονωμένου σωματιδίου. Για να το διατυπώσουμε κάπως απλοϊκά, από τη στιγμή που θα είχαν υπολογίσει μια τριδιάστατη πυκνότητα ηλεκτρονίων, θα μπορούσαν να προσδιορίσουν τον τρόπο αντίδρασης των μορίων στην κατανομή αυτή. Η νέα μοριακή διάταξη θα οδηγούσε σε μια νέα πυκνότητα ηλεκτρονίων, κ.ο.κ. Εκ των υστέρων, ο αλγόριθμος φαίνεται αρκετά σαφής, όμως, όπως επισημαίνει ο Car, «εκείνη την εποχή η χρήση αυτού του είδους θεωρίας για τη στήριξη μιας προσομοίωσης της πραγματικής μοριακής δυναμικής εθεωρείτο απλά αδύνατη».

Τελικά αποδείχθηκε ότι η ενοποιημένη θεώρηση που συνδύαζε τη μοριακή δυναμική με τη θεωρία του συναρτησιακού πυκνότητας, συχνά αναφερόμενη ως αλγόριθμος Car-Parrinello, παρείχε αρκετό μήκος κουβέρτας ώστε να διατηρηθούν ζεστά τόσο τα πόδια όσο και τα αυτιά των ερευνητών. «Πιστεύαμε ότι θα μπορούσε να αποδειχθεί χρήσιμη σε μια ποικιλία προβλημάτων», λέει ο Parrinello, «αλλά το εκπληκτικό είναι πως ο ίδιος κώδικας, δίχως να αλλάξουμε τίποτε εκτός από τον ατομικό αριθμό, μπορεί να μοντελοποιήσει ιοντικά συστήματα, ημιαγωγούς, μέταλλα, δεσμούς υδρογόνου, μόρια νερού, φθοριούχου υδρογόνου, και πρωτεΐνες. Καταλαβαίνετε τι εννοώ; Ο ίδιος κώδικας μπορεί να λειτουργήσει με επιτυχία σε αυτό το τεράστιο εύρος εφαρμογών».

«Νομίζω ότι κάτι πολύ καλό ήταν το γεγονός», λέει ο Parrinello, «πως ο Roberto διέθετε το υπόβαθρο στη θεωρία της ηλεκτρονιακής δομής, ενώ το δικό μου υπόβαθρο αφορούσε περισσότερο τη μοριακή δυναμική και τη στατιστική μηχανική, και μπορούσαμε να συνεννοηθούμε καλά μεταξύ μας. Όταν αποφασίσαμε να αρχίσουμε με την αναζήτηση της δυνατότητας υπολογισμών ab initio, όλα εξελίχθηκαν πολύ γρήγορα. Εννοώ, ότι ο κώδικας και τα πρώτα αποτελέσματα προέκυψαν σε διάστημα λίγων μηνών».

Σήμερα, ο αλγόριθμος Car-Parrinello αποτελεί καθιερωμένο εργαλείο στη φυσικής της συμπυκνωμένης ύλης, όμως ίσως να υπήρξε ακόμη πιο χρήσιμος σε άλλα επιστημονικά πεδία, γεγονός το οποίο αντανακλάται στην πληθώρα βραβείων που έχουν απονεμηθεί στους δύο ερευνητές. Παρ' ότι το 1995 οι Parrinello και Car μοιράστηκαν το βραβείο Rahman Υπολογιστικής Φυσικής της Αμερικανικής Εταιρείας Φυσικής, ο Parrinello λέει: «Προσωπικά έχω λάβει περισσότερες διακρίσεις από τους χημικούς παρά από τους φυσικούς. Δεν είμαι χημικός, αλλά οι περισσότερες εργασίες μου δημοσιεύονται σε περιοδικά χημείας».

Αμφότεροι οι ερευνητές έχουν δημοσιεύσει δεκάδες εργασιών που επεκτείνουν τον αλγόριθμό τους σε νέες περιοχές, συμπεριλαμβανομένης της βιολογίας. Ο Parrinello ενδιαφέρεται ιδιαίτερα για τη μελέτη των λεπτών "αποχρώσεων" του νερού. «Το νερό παρουσιάζει ενδιαφέρον για δύο λόγους: πρώτον, είναι ένα πολύ "εξευγενισμένο" σύστημα, έτσι αποτελεί πρόκληση για τη θεωρία. Δεύτερον, το νερό είναι διαλύτης για πολλές χημικές αντιδράσεις, για την ηλεκτροχημεία. Και βεβαίως, το νερό είναι απαραίτητο για τη ζωή, έτσι προσπαθούμε να εργαστούμε στην κατεύθυνση της βιοφυσικής και της βιοχημείας. Γι' αυτό το λόγο εστιάζουμε στο νερό, επειδή είναι μια τόσο σημαντική για τη ζωή ουσία», καταλήγει ο Parrinello.

Τα τελευταία χρόνια ο Car διεύρυνε την έρευνά του προκειμένου να συμπεριλάβει θέματα όπως η μοντελοποίηση ροής ηλεκτρονίων σε νανοδομές, ενώ συνεχίζει να εργάζεται στην επέκταση του αλγορίθμου Car-Parrinello. Όμως, ανεξάρτητα από το συγκεκριμένο πρόβλημα στο οποίο εργάζεται, ο Car πιστεύει ότι συνεχίζει να επωφελείται από τη συνεργασία του με τον Parrinello. «Ο τρόπος με τον οποίο προσεγγίσαμε το πρόβλημα στη μέθοδο Car-Parrinello, έχει έκτοτε εμπνεύσει κάθε δραστηριότητά μου», λέει ο Car. Επίσης, τον ευαισθητοποίησε σε προβλήματα τα οποία, υπό άλλες συνθήκες, δεν θα αναγνώριζε. «Όταν επιτυγχάνεις μια σημαντική πρόοδο σε κάποιο επιστημονικό πεδίο, αυτό σε κάνει πάντα να σκεφθείς βαθύτερα σχετικά με θεμελιώδη προβλήματα», εξηγεί ο Car, «και αναπόφευκτα να διαπιστώσεις ότι, παρά την πρόοδο που σημείωσες, δεν τα έχει λύσει όλα».

Ο Parrinello είχε παρόμοια οφέλη από αυτή τη δημοσίευση με τις πολλές αναφορές. «Δεν φοβάμαι τα νέα πράγματα, τις νέες επιστημονικές περιοχές και τα νέα προβλήματα. Ίσως αυτή να είναι η σπουδαιότερη αρετή μου: να κινούμαι από το ένα αντικείμενο στο άλλο, να αντιμετωπίζω νέες προκλήσεις. Είναι σημαντικό επειδή οι άνθρωποι συχνά παραμένουν αμετακίνητοι διότι φοβούνται. Γηράσκω αεί διδασκόμενος. Δεν ξεκίνησα έτσι, αλλά η εξέλιξη και η επιτυχία με αυτή τη δημοσίευση, καθώς και κάποια άλλα πράγματα, με ενθάρρυναν να αντιμετωπίσω τον κόσμο».

Σήμερα ο Parrinello είναι διευθυντής του Ελβετικού Κέντρου Επιστημονικών Υπολογισμών και καθηγητής υπολογιστικής φυσικής στο Ομοσπονδιακό Ινστιτούτο Τεχνολογίας (ETH), στη Ζυρίχη. Ο Car είναι καθηγητής στο Τμήμα Χημείας και συνεργάζεται με το Ινστιτούτο Υλικών, το Τμήμα Φυσικής και το Πρόγραμμα Εφαρμοσμένων Μαθηματικών του Πανεπιστημίου του Princeton. Οι δύο ερευνητές δεν έχουν συνεργαστεί από την εποχή της επινόησης του αλγορίθμου Car-Parrinello, αλλά συνεχίζουν να μοιράζονται βραβεία για τη μέθοδό τους και να διατηρούν μεταξύ τους ισχυρούς προσωπικούς δεσμούς. «Είμαστε αδελφικοί φίλοι», λέει ο Parrinello, «αλλά η δυναμική της ζωής μας έσπρωξε σε διαφορετικά μέρη του κόσμου και μας οδήγησε σε διαφορετικά επιστημονικά ενδιαφέροντα». Και ούτε αυτοί, ούτε κανείς από τους αναρίθμητους επιστήμονες που εφαρμόζουν τον αλγόριθμο υποφέρουν πλέον από την κοντή κουβέρτα που κάποτε παρεμπόδιζε την έρευνα στη μοριακή δυναμική των μεταβολών φάσης της συμπυκνωμένης ύλης.

ΠΗΓΗ: APS News, Απρίλιος 2003
Απόδοση στα Ελληνικά: Θεοφάνης Γραμμένος