Metody obliczeniowe do komputerowego modelowania materiałów

Opracowane w Zespole Chemii Kwantowej PŁ metody obliczeniowe służące do prowadzenia symulacji kwantowych materiałów, zaimplementowane zostały w cieszących się popularnością pakietach obliczeniowych Q-Chem, Psi4, NWChem oraz Gamess US, rozwijanych w Stanach Zjednoczonych oraz w bibliotece funkcjonałów gęstości libxc używanej w 36 pakietach obliczeniowych, w tym takich popularnych programach jak Molpro, Turbomole czy Orca. W efekcie, nasz metody obliczeniowe stały się dostępne dla ośrodków naukowo-badawczych specjalizujących się w modelowaniu nowych materiałów i leków, jak również dla firm działających w przemyśle chemicznym i farmaceutycznym, na całym świecie.

Analiza przygotowana przez Goldberg Consulting dla społeczności naukowej Psi-k na temat „Oddziaływania środowisk naukowych zajmujących się strukturą elektronową w Europie z przemysłem” już w 2012 r. scharakteryzowała opinię panującą w przemyśle na temat teorii funkcjonału gęstości (DFT) jako "najszerzej akceptowanej spośród metod modelowania kwantowego, atomistycznego i molekularnego" oraz wskazała, że "branża oprogramowania wyszła z 'hype cycle' i wkroczyła w fazę trwałego wzrostu".

Z drugiej strony, jedną z największych wad DFT, szczególnie w kontekście modelowania molekularnego leków i katalizatorów, które często są bardzo dużymi cząsteczkami, była niezdolność DFT do poprawnego opisania oddziaływań niekowalencyjnych (NCI). Zmieniło się to wraz z rozwojem metod łączących DFT z innymi metodami obliczeniowymi poprawiającymi opis oddziaływań NCIs. Nasze metody stanowią pionierskie rozwiązania łączące DFT z opisem oddziaływań NCI i do dzisiaj są jednymi z najbardziej dokładnych podejść.

O opracowanych metodach napisano kilka popularnonaukowych artykułów na portalach informacyjnych — w tym EurekAlert!, gdzie podkreślono znaczenie nowych metod dla przemysłu farmaceutycznego. Co więcej, większość popularnych pakietów oprogramowania DFT włączyła przynajmniej jedno z tych podejść do swoich kodów.

Jednym z takich kodów, zawierającym dlDF, jest Q-Chem, komercyjny pakiet obliczeniowy z USA. Przychody firmy Q-Chem Inc., której jedynym produktem jest kod Q-Chem, różne źródła szacują na pomiędzy 3,4 a 4 mln dolarów. Dane dotyczące wzrostu finansowego firmy nie są ogólnodostępne, jednak Q-Chem podaje, że od 2016 roku (rok, kiedy dlDF włączono do kodu Q-Chem) do 2019 roku liczba rocznych cytowań Q-Chem wzrosła z 400 do 500, czyli o 20%. Dyrektor zarządu Q-Chem Inc. Peter Gill pisze o dlDF: “Włączenie dlDF [do kodu Q-Chem] poszerzyło funkcjonalność Q-Chema, sprawiło że stał się bardziej atrakcyjnym narzędziem dla naukowców i pomogło zwiększyć światową sprzedaż akademickich i przemysłowych licencji Q-Chema. Dyrektorzy Q-Chem Inc. są wdzięczni prof. Pernal za wybranie naszego oprogramowania do implementacji swojej ważnej pracy”.

Równie ważny, choć trudniejszy do ilościowej oceny, jest wpływ implementacji dlDF w popularnych pakietach typu open-source, takich jak NWChem. Murat Valiev, główny twórca NWChem stwierdza: „Dostępność metody dlDF w NWChem-ie zwiększyła uniwersalność [tego] kodu. Ten, podobnie jak inne nowe funkcjonalności NWChem-a przyczyniają się do stałego wzrostu użytkowników NWChem-a na świecie.” Metoda dlDF jest również zaimplementowana w popularnym oprogramowaniu typu open-source (OSS) takim jak Psi4, Gamess US oraz w bibliotece libxc, wykorzystywanej w wielu kodach. Korzystny wpływ oprogramowania typu open-source (OSS) na powtarzalność wyników badań chemicznych i edukacji chemicznej jest szeroko uznawany. Do niedawna wpływ ekonomiczny OSS nie był określony ilościowo, ale ostatnio, badanie zlecone przez Komisję Europejską, ujawniło, że „firmy zlokalizowane w UE zainwestowały około 1 miliarda euro w OSS w 2018 roku, co przyniosło pozytywny wpływ na gospodarkę europejską szacowany na kwotę pomiędzy 65 i 95 miliardów euro” i przewiduje, że „10% wzrost inwestycji w programowanie typu OSS przyniósłby rocznie dodatkowo o 0,4% do 0,6% PKB”.

Funkcjonał dlDF stanowi oczywiście jedynie pewną część tego wzrostu. Zwiększa on jednak wartość wyżej wymienionych kodów i jest dostępny na całym świecie zarówno w programach komercyjnych jak i typu open-source.