Доповідь д.ф.-м.н. Т.М. Брика «Комп’ютерне моделювання фізичних явищ і процесів у конденсованих системах: стан та перспективи розвитку» на засіданні Президії НАН України 19 квітня 2023 року

19 квітня 2023 року під головуванням президента НАН України академіка НАН України Анатолія Загороднього відбулося чергове засідання Президії НАН України.

Із доповіддю «Комп’ютерне моделювання фізичних явищ і процесів у конденсованих системах: стан та перспективи розвитку» виступив директор Інституту фізики конденсованих систем НАН України доктор фізико-математичних наук Тарас Брик.

Він розповів, що від часу створення першого найпростішого методу комп’ютерного моделювання Монте-Карло відбулися революційні зміни, пов’язані з розробленням принципово нових алгоритмів, завдяки яким сьогодні можна моделювати реальні фізичні процеси з використанням мільярдів частинок, що, по суті, є високоточними комп’ютерними експериментами. Таке моделювання базується на законах статистичної фізики, що дає можливість однозначно задавати та контролювати основні термодинамічні параметри досліджуваної системи. За допомогою сучасних методик комп’ютерного моделювання можна досліджувати фундаментальні проблеми, які мають велике технологічне значення, зокрема мікроскопічні механізми згортання протеїнів, молекулярні процеси, що спричиняють рак або хворобу Альцгеймера, мікроскопічну структуру та іонний транспорт через біологічні мембрани, структуру і динаміку нанокомпозитів тощо.

Широке застосування та поширення передових методик комп’ютерного моделювання в фізиці, хімії, біології, матеріалознавстві та нанотехнологіях спостерігається у діяльності провідних дослідницьких центрів країн ЄС, США, Японії й деяких інших країн.

Доповідач зазначив, що новим важливим напрямом досліджень є першопринципне (ab initio) комп’ютерне моделювання фізико-хімічних процесів на електронному рівні. Його важливою перевагою є можливість досліджувати різноманітні системи в умовах, для яких реальні експерименти є практично неможливими. Зокрема, основні фундаментальні знання про будову, атомний склад, температуру, швидкість поширення звуку в ядрі та зовнішній оболонці ядра Землі походять із першопринципного комп’ютерного моделювання кристалічного та рідкого заліза і його сплавів із легкими елементами при надвисоких (до 400 гігапаскаль) тисках. Дослідження з використанням першопринципного комп’ютерного моделювання спрямовані на фундаментальні проблеми пошуку нових матеріалів, зокрема розшифровки структури металічного водню, що утворюється при високих тисках, встановлення особливостей гідратних оболонок складних молекулярних систем та з’ясування ролі електронної підсистеми у динаміці рідин.

Тарас Брик зауважив, що в Україні протягом останніх десятиліть методи комп’ютерного моделювання розвиваються та застосовуються у наукових колективах цілого ряду інститутів НАН України та провідних закладів вищої освіти. При цьому наукові дослідження з атомістичного комп’ютерного моделювання потребують координації в межах країни та розширення співпраці з іноземними вченими. Комп’ютерне моделювання також критично залежить від розвитку обчислювальної інфраструктури.

За словами доповідача, перспективи розвитку комп’ютерного моделювання пов’язані з новим підходом «машинного навчання», який використовує схему нейронної мережі. В Інституті фізики конденсованих систем НАН України підхід «машинного навчання» застосовується для передбачення стикування білків (рецепторів) і малих органічних сполук (лігандів) та розробляється методика з передбачення динамічних властивостей конденсованих систем.

Інститут фізики конденсованих систем НАН України є визнаним в Україні та за її межами центром досліджень з комп’ютерного моделювання процесів у конденсованих системах. За цією тематикою протягом останніх років тут виконано ряд міжнародних проєктів, зокрема проєкт Рамкової програми ЄС «Горизонт-2020», освітній проєкт «Еразмус+», численні міжнародні проєкти двостороннього співробітництва.

Тарас Брик наголосив, що значну увагу Інститут зосереджує на питаннях підготовки кваліфікованих кадрів для роботи з потужними кластерними системами та суперкомп’ютерами. Результати науковців оприлюднено у престижних міжнародних журналах, а також кращих вітчизняних наукових виданнях.

В обговоренні завідувач відділу Інституту теоретичної фізики ім. О.І. Ахієзера ННЦ «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України академік НАН України Олександр Бакай висловив свою всебічну підтримку виголошеній доповіді та наголосив, що представлені дослідження виконуються на світовому рівні.

Завідувач відділу Інституту металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України член-кореспондент НАН України Віктор Антонов високо оцінив представлені результати та вказав на те, що комп’ютерне моделювання дозволяє вирішувати широке коло задач у різних сферах, тому за ним майбутнє науки.

Завідувач відділу Інституту молекулярної біології і генетики НАН України член-кореспондент НАН України Олександр Корнелюк акцентував на важливості ролі сучасних комп’ютерних методів, у тому числі тих, що розробляються в Інституті фізики конденсованих систем НАН України, для розвитку молекулярної біології.

Радник Президії НАН України академік НАН України Ігор Юхновський і академік-секретар Відділення фізики і астрономії НАН України академік НАН України Вадим Локтєв у своїх виступах також відзначили актуальність, важливість і перспективність представлених результатів.

Із підсумковим словом виступив Президент НАН України академік НАН України Анатолій Загородній, в якому відзначив, що комп’ютерне моделювання є потужним науковим напрямом, роль якого в багатьох ділянках фундаментальної та прикладної науки зростає і стає критично важливою для подальшого прогресу. Звернув увагу на досягнення Інституту фізики конденсованих систем НАН України у цьому напрямку, відзначив його високий міжнародний авторитет.

За матеріалами прес-служби НАН України