多くの発見を加速させる可能性を秘めた「TopoMS」。化学結合をリアルタイムで正確に解析するツール

・TopoMSは、原子が化学結合を形成したり切断したりする際の軌跡を測定することができる。
・標準的なノートパソコンで最大4倍の性能向上が可能。
・ソースコードはGitHubで入手できる。

 

複雑な化合物の化学的・物理的特性を調べるには、原子間の電荷の移動、イオン電荷の検出、結合構造を理解することが重要です。既存の技術では、シミュレーションによって分子内の原子電荷を直接観察することは非常に困難です。

 

このたび、アメリカのローレンス・リバモア国立研究所の研究チームが、原子が化学結合を形成したり切断したりする際の軌跡を測定・予測できるオープンソースのアプリケーション「TopoMS」を構築しました。このソフトウェアは、動的シミュレーションの結果をリアルタイムで表示します。

 

当初の目的は、リチウムイオン電池の界面を正確かつ迅速にモデル化することにより、エネルギー貯蔵とパワーを強化することでした。しかし研究チームは、スーパーコンピュータ上で複雑な量子分子動力学シミュレーションを実行する技術という、並外れたものを思いついたのです。では、実際にどのようなものが開発されたのか、見てみましょう。

 

TopoMS：TOPOlogical analysis of Molecular Systems【分子システムのトポロジカル解析】

研究チームはこのソフトウェアを構築するために、伝統的な化学、現代の計算科学、QTAIM（quantum mechanical theory of atoms in molecules【分子内の原子に関する量子力学的理論】）という3つの分野を組み合わせました。

 

このソフトウェアは、リチウムイオン電池の安全性と性能に関する深い知識を提供するだけでなく、様々な分野で幅広いアプリケーションを実装することができます。

 

このソフトウェアのユニークな点は、他の方法論よりも一貫性があることです。これは、正確で信頼性の高い計算アルゴリズムと離散的表現を組み合わせることによって達成され、平滑関数理論による一貫した数値解析を保証しています。

 

複雑な凝縮系物質の詳細なトポロジー解析
画像出典：ローレンス・リバモア国立研究所

 

これまでのツールとは異なり、TopoMSは最先端の関数と最適化されたコードを活用して、Morse-Smale複合体（入力スカラー関数の勾配に基づいてデータセットを分割するための位相幾何学的データ構造）を確実に測定します。

 

これまでの技術では、どの原子が結合していて、どの原子が結合していないかを仮定する、粗雑な距離ベースの解析が用いられていました。一方、TopoMSはQTAIM上に構築されており、数万個の原子を瞬時に解析することができます。そのため、仮定を置くことなく、移植可能で確実な解析が可能なのです。

 

TopoMSは、分子グラフ上のノイズの影響や不連続データセットを解析するためのインタラクティブなインターフェースを備えています。ノイズの多いフィーチャーを（重要度に応じて）体系的に削除することで、データのトポロジーを単純化することができます。さらに、並列アルゴリズムは利用可能なCPU数に応じてスケールし、標準的なノートパソコンで最大4倍の性能向上を実現します。

 

TopoMSで計算されたエチレン分子のトポロジカル原子
異なる原子は異なる色で示されている

 

TopoMSはシミュレーション中に実行できるため、科学者が化学結合の切断や形成をリアルタイムで観察できるようになりました。これは、化学結合がどのように変化し、なぜ変化するのかをよりよく理解するのに役立つでしょう。また、長いシミュレーションを何度も実行することなく、将来起こりうる結果を分岐させ、適切な統計量を得ることができます。

 

次のステップは？

研究チームはすでにこのツールを実証し、GitHubで公開しています。現在はこれを、Vienna Ab Initio Simulation Package（ナノスケール材料のモデリングに使用）のような、他の一般的なシミュレーションツールと統合しようとしています。

 

また、TopoMSのAPIを改良し、量子化学トポロジーや、分子静電ポテンシャル、電子局在関数などの関連分野をサポートする予定です。