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CULGI

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マルチスケールシミュレーションのための計算科学統合ライブラリ

Chemistry Unified Language Interface (CULGI)は、マルチスケールシミュレーションの実現を目的として設計された計算科学統合ライブラリです。高分子・界面活性剤・生体膜・コロイド・超分子など、マルチスケール現象が共通して見られるソフトマターの研究においては、各スケールをターゲットとする計算手法の組み合わせによって、スケール横断的にシミュレーションを行うことが求められます。

CULGIは、ライブラリ提供という利点を持つため、既存のアプリケーションソフトウェアでは困難な、ユーザによる自由な計算手法の組み合わせを容易にする拡張性と柔軟性の高い新しい研究ツールを提供します。

CULGIライブラリには、空間的・時間的に多様なスケールの様々な物理・化学現象を取り扱えるよう、以下の主要計算ライブラリが含まれます。

1. 分子動力学法(MD)、モンテカルロ法(MC)

2. 散逸粒子動力学法(DPD)、ブラウン動力学法(BD)

3. 動的密度汎関数法(DDFT)

4. ハイブリッド法(BD+DDFT)

また、計算のプレ・ポスト処理用のツールとして、モデル構造の構築、データの解析、グラフ表示や3次元アニメーション表示といった可視化用のライブラリが含まれます。CULGIライブラリはC++言語で書かれた高速ライブラリですが、PythonやTclといった使いやすいスクリプト言語からもアクセス可能な形で提供されています。

さらに、CULGI製品には、スクリプト作成を強力に支援するグラフィカルユーザインターフェース(GUI)であるCULGI Graphical Programming Environment (GPE)が付属します。オブジェクト指向に基づいて整備されたCULGIライブラリとCULGI GPEを使用することで、ユーザはマウスの簡単な操作のみで独自の計算プログラムを簡便に構築することができます。

CULGI GPEによるスクリプト作成例

CULGI GPEによるスクリプト作成例

計算科学のプロフェッショナルによる充実したユーザーサポート

CULGIは、動的密度汎関数法(DDFT)の考案者であるDr. FraaijeがCSOを務めるCULGI社によって開発が行われているソフトウェアです。CULGI社のスタッフは、物理・化学分野でのPh.D.を持つ技術者、およびGUIの開発を担うソフトウェア技術者で構成されています。

ユーザーサポートは、製品の使用方法に関するお問い合わせだけでなく、モデル作成などのご相談を含めた充実したサポートを提供しています。CULGI社は、ハイブリッド法のような先進のアルゴリズムの開発をはじめ、ユーザーニーズを的確に反映した製品の開発を進めています。

電荷を持つコロイド粒子と合成洗剤溶液のシミュレーション

電荷を持つコロイド粒子と合成洗剤溶液のシミュレーション:(左)全ての粒子はDPD粒子で取り扱われる。(右)CULGIのマッピング昨日により、全原子モデルでのMDシミュレーションに変換。

CULGI計算科学統合ライブラリ 機能一覧

CULGIライブラリはPalette, Calculators, Mappers, Graphicsといった4つのメインコンポーネントから構成され、それぞれのコンポーネントがモデル構造の構築、計算エンジン、異なるスケール間のマッピング、データ解析・可視化用のライブラリに対応します。

Palette(モデル構造構築コンポーネント)

  • 全原子モデル、United atomモデルの構築 
    • 分子構築:数値の直接入力、molファイルの読み込み
    • ポリマー構築:ホモポリマー、ブロックコポリマー、ランダムコポリマー(タクチシチーの指定も可能)
    • バルク状態の構築: 一様な分布に配置、アモルファス状態の構築、cifファイル・ carファイルの読み込み
    • 表面構造の構築: ミラー面の指定(グラフトポリマーの構築も可能)
  • ビーズ・スプリングモデルの構築 
    • モノマー構築:文字列の直接入力 例)AAAABBBB、A4B4(ジブロックコポリマー)、A4{B5}C4(枝分かれしたポリマー)
    • コロイド粒子の構築: Spherical, Cuboid, Cylindricalなどの形状指定と各々の組み合わせ
    • バルク状態の構築: 一様な分布に配置
  • ガウス鎖モデルの構築 
    • モノマー構築: 文字列の直接入力
    • 初期濃度の設定: ボックス内を一様な濃度で設定、任意の形状内を一様な濃度で設定(外側は濃度0)
  • ハイブリッドモデル(ビーズ・スプリングモデル+ガウス鎖モデル)

Calculators(計算エンジンコンポーネント)

  • 分子動力学法(MD)、モンテカルロ法(MC) 
    • 力場: OPLS-AA, Dreiding, NERD
    • アンサンブル: NVE, NVT, NPT
    • クーロン力: グループカットオフ、Ewald
    • その他: 化学反応への対応
  • 散逸粒子動力学法(DPD)、ブラウン動力学法(BD) 
    • 静電相互作用: Debye-Hückel, Poisson-Boltzmann
    • アンサンブル: NVT、Widom法による化学ポテンシャルの計算
    • その他: 拘束、外力、化学反応、並列計算への対応
  • 動的密度汎関数法(DDFT) 
    • 拡散方程式: Density Dynamics (DD), Entropy Field Dynamics (EFD), Picard (P), Local Density Dynamics (LDD)
    • 静電相互作用: Debye-Hückel, Poisson-Boltzmann
    • その他: 静的計算、ずり、結晶化、並列計算への対応
  • ハイブリッド法(BD+DPD) 
    • 静電相互作用: Poisson-Boltzmann
    • その他: 並列計算への対応

Graphics(データ解析・可視化用コンポーネント)

  • Mappers(スケール間マッピングコンポーネント) 
    • 異なるスケール間のマッピング(全原子モデル・United Atomモデル⇔ビーズ・スプリングモデル⇔ガウス鎖モデル)