• A
  • A
  • A
  • АБВ
  • АБВ
  • АБВ
  • А
  • А
  • А
  • А
  • А
Обычная версия сайта

Атомистическое многомасштабное моделирование свойств и процессов в материалах и живых системах; анализ эффективности новых суперкомпьютерных технологий

Приоритетные направления развития: инженерные науки
2018

Цель работы

Развитие новых математических методов и алгоритмов для многомасштабных моделей в области материаловедения и молекулярной биологии мембран с опорой на атомистические методы, реализация этих методов с применением передовых суперкомпьютерных технологий и их использование в каждом из разделов. Анализ эффективности суперкомпьютерных технологий и алгоритмов.

Используемые методы

Методы классической молекулярной динамики и статистической физики; методы Эйнштейна-Смолуховского и Грина-Кубо для расчётов коэффициентов диффузии и вязкости; для биологических систем: моделирование по гомологии, молекулярная динамика с оптимизированными для белков и мембран параметрами, предсказание структуры белков de novo на основании метода молекулярного гидрофобного потенциала.

Эмпирическая база исследования

Для расчетов используются программные продукты с открытым кодом (LAMMPS, Gromacs, VASP и др.) и высокопроизводительная вычислительная техника, в том числе с графическими ускорителями последнего поколения.

Результаты работы

С помощью метода молекулярной динамики и расчётов по формуле Грина-Кубо получены зависимости плотности и сдвиговой вязкости 2,2,4-триметилгексана от давления в диапазоне 1-10 тысяч бар. Результаты были представлены в рамках участия в 10 конкурсе по моделированию свойств промышленных жидкостей. Полученная модел может быть рекомендована для достоверных расчетов вязкости углеводородов при давлениях до 5-6 тыс. атмосфер.

Описаны молекулярные аспекты белок-белкового распознавания и белок-липидных взаимодействий для ряда важнейших клеточных рецепторов: семейства ErbB, гликофорина А, нейраминидазы-1 и модельных пептидов.  Показано, что свойства мембраны могут в значительной степени влиять на поведение белков, в частности, модулировать стабильность активных и неактивных состояний рецепторов. Это даёт основу для создания в будущем мембраноактивных соединений с заданными функциями.

Предложена конфигурация «ловушки» - прототипа перспективных антимикробных соединений, действующих на «ахиллесову пяту» бактериальных клеток — молекулу липида-II, показана ключевая роль водородных связей в формировании стабильной конфигурации «ловушки» с пирофосфатом.

Исследована работа современных программных кодов молекулярной динамики с использованием графических ускорителей и предложены возможные пути дальнейшей оптимизации. Оценена эффективность расчётов на российских процессорах Эльбрус-9С, на тестовых задачах продемонстрирована возможность достижения высокой производительности.

Степень внедрения, рекомендации по внедрению или итоги внедрения результатов НИР

Данные о вычислительной производительности и энергоэффективности программного кода на разных архитектурах процессоров предлагается использовать при проектировании суперкомпьютерных систем для НИУ ВШЭ.

Публикации по проекту:


Priezjev N. The effect of thermal history on the atomic structure and mechanical properties of amorphous alloys // Computational Materials Science. 2019
Priezjev N., Makeev M. Structural transformations and mechanical properties of porous glasses under compressive loading // Journal of Non-Crystalline Solids. 2018. Vol. 500. P. 1-10. doi
Priezjev N. The yielding transition in periodically sheared binary glasses at finite temperature // Computational Materials Science. 2018. Vol. 150. P. 162-168. doi
Priezjev N., Makeev M. Strain-induced deformation of the porous structure in binary glasses under tensile loading // Computational Materials Science. 2018. Vol. 150. P. 134-143. doi
Kondratyuk N., Smirnov G., Dlinnova E., Stegailov V., Biryukov S. Hybrid Supercomputer Desmos with Torus Angara Interconnect: Efficiency Analysis and Optimization, in: Communications in Computer and Information Science Vol. 910: Parallel Computational Technologies. Springer, 2018. doi P. 77-91. doi
Stegailov V., Дергунов Д. О., Timofeev A. Performance of Elbrus Processors for Computational Materials Science Codes and Fast Fourier Transform, in: Communications in Computer and Information Science Vol. 910: Parallel Computational Technologies. Springer, 2018. doi P. 92-103. doi
Stegailov V., Timofeev A. Deploying Elbrus VLIW CPU Ecosystem for Materials Science Calculations: Performance and Problems., in: Supercomputing. RuSCDays 2018. Communications in Computer and Information Science, vol 965. Springer, Cham. Springer, 2019. P. 543-553. doi
Khalilov M., Timofeev A. Optimization of MPI-Process Mapping for Clusters with Angara Interconnect // Lobachevskii Journal of Mathematics. 2018. Vol. 39. No. 9. P. 1188-1198. doi
Панина И. С., Chugunov A., Efremov R. Lipid II as a Target for Novel Antibiotics:Structural and Molecular Dynamics Studies. / Пер. с рус. // Russian Journal of Bioorganic Chemistry. 2018. Vol. 44. No. 6. P. 653-664. doi
Алексеева А. С., Волынский П. Е., Chugunov A., Онищенко Н. Р., Молотковский Ю. Г., Efremov R., Болдырев И. А., Водовозова Е. Л. Behavior of Doxorubicin Lipophilic Conjugates in Liposomal Lipid Bilayers. / Пер. с рус. // Russian Journal of Bioorganic Chemistry. 2018. Vol. 44. No. 6. P. 732-739. doi
Bragin P., Kuznetsov A.S., Bocharova O., Volynsky P., Arseniev A., Efremov R.G., Mineev K. Probing the effect of membrane contents on transmembrane protein-protein interaction using solution NMR and computer simulations // Biochimica et Biophysica Acta - Biomembranes. 2018. Vol. 1860. No. 12. P. 2486-2498. doi
Efremov R., Osmakov D., Koshelev S., Andreev Y., Dubinnyi M., Kublitski V., Sobolevsky A., Kozlov S. Proton-independent activation of acid-sensing ion channel ASIC3 by alkaloid lindoldhamine from Laurus nobilis // British Journal of Pharmacology. 2018. Vol. 175. No. 6. P. 924-937. doi
Darvishzadeh T., Bhattarai B., Priezjev N. The critical pressure for microfiltration of oil-in-water emulsions using slotted-pore membranes // Journal of Membrane Science. 2018. Vol. 563. P. 610-616. doi
Fleita D. Y., Norman Genri E., Pisarev Vasily V. Study of phase transition in the pure metal melt during ultrafast cooling by method of higher-order correlation functions // Journal of Physics: Conference Series. 2018. Vol. 946. No. 1. P. 012102-1-012102-7. doi
Semyonov V., Timofeev A. Resonant Energy Transfer Between Degrees of Freedom in a Dusty Plasma System // IEEE Transactions on Plasma Science. 2018. Vol. 46. No. 5. P. 1855-1858. doi
Kuznetsov A., Efremov R. Glycophorin A transmembrane helices dimerization: the role of the lipid environment, in: Biomembranes 2018. International Conference. 1-5 October 2018. Book of Abstracts.. Dolgoprudni : MIPT, 2018. P. 256-257.
Polyansky A. A., Kuznetsov A., Volynsky P. E., Efremov R. Proteins and membranes: born to be together. A computational view, in: Biomembranes 2018. International Conference. 1-5 October 2018. Book of Abstracts.. Dolgoprudni : MIPT, 2018. P. 89-90.
Кузнецов А. С., Ефремов Р. Г. Роль липидного окружения в формировании димера гликофорина А // В кн.: Математика. Компьютер. Образование. Тезисы. Вып. 25: Двадцать пятая международная конференция "Математика. Компьютер. Образование." Симпозиум с международным участием "Биофизика сложных систем, вычислительная и системная биология, молекулярное моделирование, медицинская биофизика". Ижевск : Ижевский институт компьютерных исследований, 2018. С. 70-71.
Kuzmenkov A., Nekrasova⁠ O., Peigneur⁠ S., Tabakmakher⁠ V., Gigolaev⁠ A., Fradkov⁠ A., Kudryashova⁠ K., Chugunov A., Efremov R., Tytgat⁠ J., Feofanov⁠ A., Vassilevski A. K⁠V1.2 channel-specific blocker from Mesobuthus eupeus scorpion venom: Structural basis of selectivity. // Neuropharmacology. 2018. Vol. 143. P. 228-238. doi
Bocharov E., Lesovoy D., Bocharova O., Urban A., Pavlov K., Volynsky P., Efremov R., Arseniev A. Structural basis of the signal transduction via transmembrane domain of the human growth hormone receptor // Biochimica et Biophysica Acta - General Subjects. 2018. Vol. 1862. No. 6. P. 1410-1420. doi
Norman G., Saitov I., Sartan R. A. Metastable states of warm dense hydrogen // Interfacial Phenomena and Heat Transfer. 2017. Vol. 5. No. 3. P. 165-171. doi
Kalinichev A. G. Universality of hydrogen bond distributions in liquid and supercritical water // Journal of Molecular Liquids. 2017. Vol. 241. P. 1038-1043. doi
Kondratyuk N., Norman G., Stegailov V. Quantum nuclear effects in water using centroid molecular dynamics // Journal of Physics: Conference Series. 2018. Vol. 946. No. 012109. P. 1-7. doi
Mishra R. K., Kunhi Mohamed A., Geissbühler D., Manzano H., Jamil T., Shahsavari R., Kalinichev Andrey G, Galmarini S., Tao L., Heinz H., Pellenq R., van Duin A. C., Parker S. C., Flatt R. J., Bowen P. cemff: A force field database for cementitious materials including validations, applications and opportunities // Cement and Concrete Research. 2017. Vol. 102. P. 68-89. doi
Amirov R. K., Lankin A. V., Norman G. Solvation suppression of ion recombination in gas discharge afterglow // Physical Review E - Statistical, Nonlinear, and Soft Matter Physics. 2018. Vol. 97. No. 3. P. 1-7. doi
Reinholz H., Röpke G., Broda I., Morozov I., Bystryi R., Lavrinenko Y. Relaxation and collective excitations of cluster nano-plasmas // Journal of Physics B: Atomic, Molecular and Optical Physics. 2018. Vol. 51. No. 01-4001. P. 1-9. doi
Norman G., Saitov I. Molecules ionization at phase transition in warm dense hydrogen // Journal of Physics: Conference Series. 2018. Vol. 946. No. 012121 doi
Valeev B., Pisarev V. The equation of state of n-pentane in the atomistic model TraPPE–EH // Journal of Physics: Conference Series. 2018. Vol. 946. P. 1-6. doi
Norman G., Saitov I. Plasma phase transition in warm dense hydrogen // Contributions to Plasma Physics. 2018. Vol. 58. No. 2-3. P. 122-127. doi
Pisarev V., Zakharov S. A. Comparison of forcefields for molecular dynamics simulations of hydrocarbon phase diagrams // Journal of Physics: Conference Series. 2018. Vol. 946. P. 012100-1-012100-6. doi
Chugunov A., Panina I. S., Nolde D. E., Efremov R. "Achilles Heel" of the Bacterial Membranes: Computational Modeling of Lipid II - Target for Novel Antibiotics, in: Biomembranes 2018. International Conference. 1-5 October 2018. Book of Abstracts.. Dolgoprudni : MIPT, 2018. P. 105-106.

См. также

Несовершенные рынки, пространственная экономика и промышленные кластеры

Разработка полуаналитических методов математического моделирования  процессов формоизменения материалов

Математическое моделирование и конструирование механизмов в социальной, экономической и политической сферах с использованием методов теории принятия решений, теории игр и интеллектуального анализа данных

Математическое моделирование поведения материалов с нелинейными механическими свойствами в условиях горячей деформации

Общественные ожидания, публично-политические приоритеты и бюджетное перераспределение ресурсов: модели взаимосвязи в демократических и гибридных режимах

Математическое и компьютерное моделирование квантовых, волновых и термофазовых  эффектов в наносистемах

Социально-политические процессы в Интернете: структура и содержание социальных взаимодействий

Ключевые слова