Análise do desempenho computacional da implementação de carga implícita no potencial ReaxFF

Abstract

Com crescente uso nas mais diversas áreas do conhecimento, simulações de dinâmica molecular são ferramentas essenciais para análise de fenômenos físico-químicos complexos ou de difícil reprodução experimental. No cerne dessas simulações estão os potenciais interatômicos, cuja função é descrever as interações intra- e intermoleculares entre os átomos do sistema. A escolha adequada do potencial interatômico é essencial para qualquer problema de simulação molecular, e apresenta um dilema entre a fidedignidade dos dados gerados e o custo computacional exigido. Tendo em vista este problema, se propôs analisar o desempenho computacional dos potenciais ReaxFF puro e ReaxFF de carga implícita. A implementação de carga implícita foi criada por Kański et al., (2018) com o intuito de diminuir o custo da etapa mais computacionalmente dispendiosa do potencial ReaxFF, apresentado uma performance de 2 a 5 vezes maior na aplicação estudada por eles. Assim, buscou-se verificar a coerência de resultados e o ganho computacional do potencial de carga implícita em relação ao ReaxFF puro em outros dois processos: o ensaio de tração de nanofilamentos de carbono e o processo da grafitização de carbono amorfo. O ensaio de tração de nanofilamentos de carbono foi escolhido para avaliar como este potencial descreve as propriedades mecânicas dos nanofilamentos; nessas simulações ele apresentou desvios do comportamento esperado, mas com uma performance computacional de até 2,4 vezes maior em relação ao potencial puro. A dinâmica de grafitização de carbono amorfo foi escolhida por ser uma implementação simples, porém computacionalmente pesada, e por manifestar uma alta ocorrência de reações químicas; nela o potencial de carga implícita apresentou um ganho computacional de 1,8. Os resultados mostram ganho significativo de eficiência com uso desta nova formulação, motivando o desenvolvimento de novas parametrizações desse potencial para diferentes sistemas de interesse prático.