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Dr. Andreas Götz: Forschung

gehe zu: Workshops - QM/MM und MD - Subsystem DFT - OEP und TDDFT - Dichtefitting (Promotion) - Workcamp

Software, die wissenschaftliche Entdeckungen ermöglicht
  • Entwicklung von Methoden zur Simulation der Eigenschaften von Biomakromolekülen und anderen komplexen molekularen Systemen mit dem Ziel, sowohl realistische als auch zuverlässige Ergebnisse zu erhalten.
  • Effiziente Implementierung in weit verbreitete Softwarepakete wie ADF für Dichtefunktionaltheorie und AMBER für klassische und gemischte quantenmechanische / klassische Molekulardynamiksimulationen.
  • Optimierungen für die neuesten HPC Plattformen, z.B. mit Graphikprozessoren.
  • Anwendung auf aktuelle Probleme im Bereich der (Bio)Chemie / Pharmazie / Materialwissenschaften / erneuerbaren Energien.
  • Ausbildung von Wissenschaftlern / Studenten: Softwareentwicklung, numerische Simulationen, Quantenchemie, Molekulardynamik.
Forschungsförderung
U.S. Department of Energy National Institutes of Health NSF Zugang zu Supercomputern
U.S. Department of Energy Office of Science NIH National Institute of General Medical Sciences NSF XSEDE Extreme Science and Engineering Discovery Environmnet

Cover of the Journal of Computational Chemistry featuring my QM/MM software

My research on QM/MM simulation software featured on the cover page of the Jan 2014 edition of the Journal of Computational Chemistry.

Workshops und Symposia

Computational Chemistry Across Catalysis, ACS National Meeting San Diego (March 2016)

Im März 2016 habe ich ein 4-tägiges Symposium organisiert, das während der ACS Konferenz in San Diego stattfand. Das Thema des Symposiums brachte Wissenschaftler mit Interesse an computergestützter Simulation von katalytischen Prozessen zusammen. Die Vorträge deckten alle Bereichen der Katalyse ab und befassten sich mit homogenen, heterogenen, biochemischen, photochemischen und elektrochemischen Prozessen. Diskussionsgegenstand waren der Stand der Technik und verbesserte Verfahren vielfältiger Simulationsmethoden, inklusive quantenchemischer Verfahren, kinetischer Simulationen, Molekulardynamik, nicht-adiabatische Prozesse und Störungstherie. Meine Kollegen Dion Vlachos von der Universität Delaware und Carine Michel und Philippe Sautet von der ENS Lyon in France haben das Symposium mitorganisiert.

GPU Computing Symposium und Workshop am SDSC (November 2013)

Dieses zweitägige GPU Computing Event wurde von mir und Ross Walker (wir sind Direktoren des CUDA Teaching Centers am SDSC) gemeinsam mit Jon Saposhnik (NVIDIA) organisiert. Vorträge handelten von Trends, Tools und Einsatz von GPUs in vielfältigen Forschungsgebieten von Pharma bis zur Geophysik. (siehe das Programm). Während des Workshops lernten Teilnehmer GPUs mit CUDA und OpenAcc zu programmieren.

AMBER workshop an der ECNU in Shanghai (August 2011)

Ich organisiere und unterrichte einen AMBER workshop an der East China Normal University (ECNU) in Shanghai. Dieser fünf Tage dauernde Workshop (22.-26. August 2011) zielt darauf ab, Forscher auf dem Gebiet (bio)molekularer Simulationen mit der Vielfalt an Funktionalitäten der Softwarepakete AMBER und AmberTools für Molekulardynamiksimulationen bekannt zu machen.

ADF workshop am SDSC (März 2011)

Gemeinsam mit Dr. Matt Kundrat (SCM) habe ich einen ADF Workshop organisiert und betreut, der am Donnerstag, den 24. März 2011 am San Diego Supercomputer Center stattgefunden hat. Der Workshop war sowohl an Anfänger, als auch Experten gerichtet, die sich über die neuesten Features der ADF2010.02 Release informieren wollten.

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QM/MM und MD für Biomolekulare Simulationen
Am SDSC in San Diego (set Juni 2009)

Am San Diego Supercomputer Center befasse ich mich mit Methoden- und Softwareentwicklung für Computersimulationen von chemischen und biophysikalischen Prozessen. Die eingesetzten Methoden umfassen sowohl Multiskalenmodelle (QM/MM) als auch Kraftfeldentwicklungen für Molekulardynamiksimulationen und quantenchemische Berechnungen.

Ein Großteil meiner Forschung ist in Zusammenarbeit mit Arbeitsgruppen weltweit, unter anderem Ross Walker (SDSC), Francesco Paesani und J. Andrew McCammon (UCSD), Todd Martinez (Stanford), Lucas Visscher (Amsterdam), Rosa Bulo (Utrecht) und Michael Crowley (NREL). Die entwickelte Software wird unter anderem in das ADF Dichtefunktionalprogramm und das AMBER Programmpaket für biomolekulare Simulationen integriert. Die Software wird für moderne Hardware optimiert (parallele Cluster, Graphikprozessoren etc).

Weitere Informationen gibt es auf der englischen Version meiner Homepage.

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Subsystem-Dichtefunktionaltheorie
Postdoc in Amsterdam bei Dr. L. Visscher (November 2006 - April 2009)

Seit meiner Zeit in Amsterdam beschäftige ich mich mit dem Konzept des "frozen density embedding" (FDE) in der Dichtefunktionaltheorie (DFT). Bisher habe ich an Energieberechnungen und analytischen Gradienten für FDE gearbeitet und einen Formalismus zur Berechnung von Spin-Spin-Kopplungskonstanten im Rahmen von FDE ausgearbeitet und implementiert. Die Forschungsarbeiten hierzu habe ich in erster Linie bei Dr. L. Visscher am Lehrstuhl von Prof. Dr. E.-J. Baerends an der Vrije Universiteit Amsterdam durchgeführt.

Aufgrund ihrer Effizienz ist die DFT die wohl am häufigsten genutzte Methode für die Untersuchung der Elektronenstruktur molekularer Systeme. Mit Hilfe der DFT können verlässliche Informationen über die unterschiedlichsten Eigenschaften von Molekülen (wie z.B. Strukturen, Schwingungsspektren, optische Spektren, Dipolmomente, Polarisierbarkeiten etc.) erhalten werden. Studien zu Molekülen, wie sie typischerweise in der klassischen organischen oder anorganischen Chemie vorkommen, sind mittlerweile Routine. Molekulare Systeme aus den zunehmend wichtiger werdenden Bereichen der Lebenswissenschaften und Nanotechnologie können aufgrund ihrer Größe und Komplexität mit den gängigen DFT Verfahren jedoch noch nicht beschrieben werden.

Hier setzen sogenannte Multiskalenmethoden an. Mit diesen Verfahren wird der Rechenaufwand auf die Teile eines Systems konzentriert, welche für eine bestimmte Eigenschaft von Relevanz sind. Der Effekt der verbleibenden Teile wird dann in einer genäherten Weise berücksichtigt. FDE ist eine solche Multiskalenmethode und das Ziel meines Projekts ist die Erweiterung zu einer verallgmeinerten Subsystem-DFT. In Verbindung mit einer effizienten Implementierung in ein Computerprogramm wird dies die theoretische Untersuchung von molekularen Systemen ermöglichen, welche mit herkömmlicher DFT nicht beschrieben werden können. Die Implementierung wird in das Amsterdam Dichtefunktionalpaket (ADF) vorgenommen.

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Optimisiertes Effektives Potential und Zeitabhängige Dichtefunktionaltheorie
Postdoc in Erlangen bei Prof. Dr. A. Görling (Oktober 2005 - Oktober 2006)

Konventionelle Dichtefunktionaltheorie (DFT) Verfahren, die auf der lokalen Dichtenäherung (LDA) oder der generalisierten Gradientennäherung (GGA) basieren, verwenden Funktionale für die Austauschkorrelations (XC) Energie, welche Integrale über Funktionen der Elektronendichte und ihres Gradienten sind. GGA Verfahren sind sehr erfolgreich und finden weiten Einsatz zur Beschreibung der Elektronenstruktur von Grundzuständen und deren Eigenschaften in der Chemie und Festkörperphysik. Trotz ihres Erfolges sind diese konventionellen DFT Verfahren für viele interessante Fragestellungen jedoch nicht genau genug.

In den letzten Jahren gewinnt eine neue Generation von DFT Verfahren an Bedeutung, welche Funktionale verwendet, die nicht nur von der Elektronendichte und ihrem Gradienten, sondern auch von den Kohn-Sham Orbitalen abhängen. Berechnungen mit diesen DFT Methoden setzen die Lösung der Gleichungen für das sogenannte optimierte effektive Potential (OEP) voraus. Bei Verwendung von lokalisierten Orbitalen wie sie bei molekularen Berechnungen zum Einsatz kommmen, treten hierbei jedoch numerische Probleme auf. Gemeinsam mit Dr. A. Heßelmann habe ich dieses Problem gelöst und ein numerisch stabiles Verfahren entwickelt, mit dem nun routinemäßige OEP-Rechnungen für Moleküle möglich sind [2].

Die zeitabhängige Dichtefunktionaltheorie (TD-DFT) ist eine effiziente Methode zur Beschreibung angeregter elektronischer Zustände von Molekülen, welche für die meisten Fälle eine ausreichende Genauigkeit aufweist. Mittels TD-DFT können beispielsweise Anregungsenergien und damit optische Anregungsspektren berechnet werden. Ein fundamentales Problem bereiten jedoch angeregte Zustände mit Ladungstransfercharakter (charge transfer, CT). Diese Zustände können mit den gegenwärtig zur Verfügung stehenden Dichtefunktionalen nicht beschrieben werden. Ein vielversprechender Ansatz ist die Erweiterung von EXX DFT auf angeregte Zustände [3]. Obwohl diese Theorie schon 1998 ausgearbeitet wurde, existiert bisher noch keine Implementierung für Moleküle.

Austauschpotential von Pyridin entlang des Kohlenstoff-Stickstoff-Rings berechnet mit EXX (exact exchange) DFT und LHF (localized Hartree-Fock) [2].

EXX potential for pyridine

Basierend auf unserem Verfahren für numerisch stabile OEP (und damit EXX) Rechnungen habe ich Algorithmen für EXX-TD-DFT ausgearbeitet und in das Programmpaket TURBOMOLE implementiert. Forschung in dieser Richtung wird in der Arbeitsgruppe von Prof. Dr. A. Görling weiterverfolgt.

[1] A. Heßelmann, A. W. Götz, F. Della Salla, A. Görling, J. Chem. Phys. 127, 054102 (2007).

[2] A. Görling, A. Ipatov, A. W. Götz, A. Heßelmann, Z. Phys. Chem. 224, 325-342 (2010).

[3] A. Görling, Int. J. Quant. Chem. 69, 265-277 (1998).

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Dichtefitting für Effiziente Dichtefunktionaltheorieberechnungen
Promotion in Erlangen (November 2001 - August 2005)

Meine Promotion auf dem Gebiet der Theoretischen Chemie habe ich an der Universität Erlangen unter der Anleitung von Prof. Dr. B. A. Heß (Universität Bonn, verstorben) begonnen und unter der Anleitung von Prof. Dr. A. Görling beendet.

Ich habe am LEDO-DFT[1] Formalismus gearbeitet und diesen in das Quantenchemie-Programmpaket TURBOMOLE implementiert. LEDO ist ein Akronym für "limited expansion of diatomic overlap densities" und stellt eine im Zusammenhang mit der Dichtefunktionaltheorie (DFT) neue Dichtefitmethode dar, um DFT-Rechnungen zu beschleunigen und damit Berechnungen von größeren Molekülen zu ermöglichen.

Bei herkömmlichen Dichtefitmethoden für die DFT wird die gesamte Elektronendichte in eine auf das gesamte System (Molekül) verteilte Basis atomzentrierter Funktionen entwickelt. Als Folge davon müssen Ein- bis Dreizentren- Zweielektronenintegrale berechnet werden, was das Skalierungsverhalten bezüglich der Größe des betrachteten Systems von O(N4) für konventionelle DFT-Verfahren auf O(N3) reduziert.

Beim LEDO-DFT Formalismus hingegen wird jede individuelle diatomare Überlappungsdichte in eine Basis, welche räumlich auf die Atome der Überlappungsdichte beschränkt ist, entwickelt. Auf diese Weise können unter Verwendung der LEDO-Entwicklungskoeffizienten die Zweizentren-Matrixelemente des Coulomb- und Austausch-Korrelationsbeitrags zur Kohn-Sham-Matrix durch die Einzentren-Matrixelemente ausgedrückt werden. Folglich müssen ausschließlich Ein- und Zweizentren- Zweielektronenintegrale berechnet werden und das Skalierungsverhalten einer LEDO-DFT Rechnung für den Aufbau der Kohn-Sham Matrix reduziert sich auf O(N2).

Rechenzeit für das SCF von linearen Alkanen auf einem single core 2.0 GHz Intel Xeon Prozessor.

LEDO-DFT scaling behavior

Im Rahmen meiner Promotion habe ich unter anderem die Berechnung des analytischen Energiegradienten in LEDO-Näherung imlementiert [2]. Des weiteren habe ich ein Verfahren zur Optimierung von Auxiliarbasissätzen für die LEDO-Näherung ausgearbeitet und Auxiliarorbitale für LEDO-DFT optimiert, welche Berechnungen mit ausreichender Genauigkeit ermöglichen [3].

Meine Dissertation kann im pdf Format vom opus Server der Universität Erlangen heruntergeladen werden.

Diplomarbeit (April 2001 - Oktober 2001)

Im Zeitraum von April bis Oktober 2001 habe ich unter der Anleitung von Prof. Dr. B. A. Heß (Universiät Bonn, verstorben) meine Diplomarbeit mit dem Titel Implementierung eines vereinfachten Dichtefunktionalverfahrens an der Universität Erlangen angefertigt. In der Arbeit habe ich eine Portierung des LEDO-DFT[1] Formalismus (siehe Promotion) für den SCF-Teil vom quantenchemischen Programmpaket MOLPRO in das quantenchemische Programmpaket TURBOMOLE vorgenommen und getestet.

Bei Interesse kann meine Diplomarbeit hier heruntergeladen werden: ps / pdf

[1] C. Kollmar, B. A. Hess, Molec. Phys. 100, 1945-1955 (2002).

[2] A. W. Götz, C. Kollmar, B. A. Hess, Molec. Phys. 103, 175-182 (2005).

[3] A. W. Götz, C. Kollmar, B. A. Hess, J. Comput. Chem. 26, 1242-1253 (2005).

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Renovierung eines Klosters in Norditalien
Work camp in Àcqui Terme (September 1995)

Nachdem das Abitur geschafft war und bevor die Universität anfing, habe ich im September 1995 an einem vom SCI (Service Civil International) organisierten Workcamp teilgenommen. Es fand bei Àcqui Terme, einem kleinen Dorf in der Nähe von Asti in Piemont im Norden von Italien statt.

Die Philosophie der vom SCI organisierten Workcamps ist es, die Arbeitskraft und Kreativität junger Leute aus verschiedenen Ländern zusammenzubringen, um wohltätige Projekte durchzuführen. Normalerweise müssen die Teilnehmer für die Reisekosten selbst aufkommen, erhalten vor Ort allerdings Verpflegung und Unterkunft gestellt. In dem Workcamp, an welchem ich teilgenommen habe, wurden Räumlichkeiten eines protestantischen Klosters renoviert. Diese stehen nun kostenfrei für Schulen und ähnliche Institutionen als Übernachtungsmöglichkeit zur Verfügung. Wir waren etwa ein Dutzend Leute aus Großbritannien, den Niederlanden, Deutschland und Italien. Es war wirklich körperlich harte Arbeit, hat aber auch eine Menge Spaß gemacht.

Mit einer Dauer von zwei Wochen war dieses Workcamp ziemlich kurz. Dennoch war es eine einmalige Erfahrung, und es hat sich auf jeden Fall gelohnt, an dem Workcamp teilgenommen zu haben. Ich kann es jedem nur empfehlen, an solch einem vom SCI organisierten Workcamp teilzunehmen.

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letzte Änderung: 2014/03/19