Александр Александрович Грановский

Грановский, Александр Александрович

Дата рождения

15 января 1971 года

Место рождения

Бердск

Дата смерти

9 ноября 2019 года

Место смерти

Москва

Род деятельности

квантовый химик

Мать

Чудова Наталия Германовна

Сайт

http://classic.chem.msu.su/gran/gamess/

Грановский, Александр Александрович (15 января 1971, Бердск - 9 ноября 2019, Москва) - русский квантовый химик, автор квантовохимического программного пакета Firefly.

Биография

Александр Александрович Грановский родился 15 января 1971 года в городе Бердск Новосибирской области. Позже семья переехала в Москву, где он обучался в средней общеобразовательной школе № 171 Ленинского района г. Москвы и был победителем городских и всесоюзных химических олимпиад в 1985/86, 1986/87 и 1987/88 гг. Еще во время учебы в школе проявил интерес к программированию и принимал участие в составлении учебных программ по информатике. В 1988 г. окончил специализированный химический класс школы № 171 при химическом факультете МГУ с серебряной медалью и в составе команды СССР участвовал в 20-й международной олимпиаде школьников по химии, проходившей в Эспоо (Финляндия). Как призер олимпиады был зачислен на химический факультет МГУ имени М.В. Ломоносова без экзаменов. Будучи студентом химического факультета, обучался в специализированной физико-химической группе (11), причем проявлял интерес ко всем разделам химии, а также физическим и математическим дисциплинам. Активно участвовал в работе кружков по углубленному изучению химии для школьников, а затем и в подготовке команды школьников к Всесоюзной олимпиаде по химии. При этом сам участвовал во всесоюзных и международных студенческих олимпиадах по химии в 1990-1992 гг. В 1990 г. на XV Международной олимпиаде по аналитической химии в г. Праге занял 3-е абсолютное место в личном первенстве и 1-е место в личном первенстве в теоретическом туре, а на всесоюзной олимпиаде «Студент и научно-технический прогресс» в г. Алма-Ате - 2-е место в личном первенстве. Эта его продуктивная интеллектуальная и активная организационная работа была отмечена специальной стипендией общества «Филантропия» при Советском фонде мира, которой он был удостоен, будучи студентом 4 и 5 курса. Со второго по пятый курс (с 1989 по 1993 г.) представлял студенческий коллектив в Ученом Совете факультета. Научную деятельность А.А. Грановский начал еще на 1 курсе в лаборатории редких элементов кафедры неорганической химии под руководством доц. А.И. Жирова, но начиная с 3 курса проявил интерес к теоретической химии и перешел в лабораторию строения и квантовой механики молекул кафедры физической химии, где выполнял исследования под руководством доц. В.Б. Павлова-Веревкина. На первом этапе работа была посвящена мерам хаотичности динамики в квантовой механике, а затем — описанию особенностей локализованных высоковозбужденных колебательных состояний молекулярных систем в рамках квазиклассического подхода [1]. В то время резко возрос интерес к теории высоковозбужденных состояний молекул в связи со стремительным развитием спектроскопии сверхвысокого разрешения и лазерной техники. И локализованные колебательные состояния, которые содержали информацию о специфических свойствах молекул и их динамике в области высоких энергий возбуждения, привлекали особое внимание, поскольку предполагалось, что возможность возбуждать молекулы в такие состояния обеспечит осуществление селективных контролируемых процессов. Блестяще защитив дипломную работу в 1993 г., А.А. Грановский в том же году поступил в аспирантуру химического факультета по специальности физическая химия (научный руководитель проф. Н.Ф. Степанов), где продолжил работу по применению методов классической и квантовой динамики для описания высоковозбужденных локализованных состояний молекул. Им были предложены эффективные методы расчета ряда характеристик (энергий, волновых функций, туннельных расщеплений) локализованных высоковозбуженных состояний (т.н. шрамов периодических орбит) [2]. Классические и полуклассические методы были применены им для описания динамики слабосвязанных комплексов, в том числе для оценки времен жизни комплексов в зависимости от степени колебательного возбуждения и обнаружено существенное влияние тонких особенностей структуры фазового пространства (регулярных и нерегулярных нелинейных резонансов) на оценки времен жизни. В студенческие и аспирантские годы его интересы далеко выходили за рамки учебных программ и дисциплин. Предметом его анализа были не только научные проблемы, но и вопросы философии, в том числе философии науки. И отдельным его научным исследованием стал реферат «Философия науки в работах Эрнста Маха и Анри Пуанкаре». Философия науки оказалась той областью, которая привлекала его внимание всю жизнь. После окончания аспирантуры в ноябре 1996 г. А.А. Грановский продолжает работать на химическом факультете МГУ в должности научного сотрудника лаборатории химической кибернетики кафедры физической химии, а с апреля 2009 г. становится специалистом-консультантом Кинтех Лаб.

Научная деятельность

На этапе становления А.А. Грановского как исследователя спектр его научных работ включает моделирование влияния среды в молекулярных матрицах, моделирование биохимических реакций неэмпирическими методами квантовой химии, изучение реакций атомов металлов, нанокластеров и комплексов в матрицах. Но относительно быстро (благодаря начавшемуся бурному развитию технологии персональных компьютеров) его внимание с прикладных задач, решаемых с помощью готовых программных средств, переключается на разработку высокоэффективных алгоритмов квантовохимических методов. Базу для этой работы составляет программный пакет GAMESS (General Atomic and Molecular Electronic Structure System) разработанный главным образом в Университете Айовы [3]. Модифицированные алгоритмы, оптимизированные под процессоры новых поколений, частично заменяют реализованные в программном пакете GAMESS. Так появляется новая программа PC GAMESS, название которой подчеркивает ее оптимальность для применения именно на архитектуре персональных компьютеров. Оптимизация существующих алгоритмов постепенно и закономерно переходит в разработку новых принципиально алгоритмов и программную реализацию методов, отсутствующих в указанном программном пакете. Первые версии программы (1.0 – 3.0) были предназначены лишь для локального использования в МГУ. 18 марта 1997 года выходит первая общедоступная версия PC GAMESS 4.0. В следующие полгода в программу добавляется поддержка больших (более 2 Гб) файлов последовательного и прямого доступа (под ОС Windows) и быстрые процедуры ввода-вывода и упаковки интегралов и матричных элементов Гамильтониана. Оптимизируется управление памятью и сокращается число обращений к жесткому диску. Реализуются новые алгоритмы расчета градиентов энергии в рамках методов Меллера-Плессета (MP2) и конфигурационного взаимодействия (CI), а также существенно более быстрые процедуры расчета энергии в приближениях MP2, многоконфигурационной квазивырожденной теории возмущений (MCQDPT2) и время-зависимого метода Хартри-Фока (TDHF). В спектр доступных методов включаются третий и четвертый порядки теории возмущений Меллера-Плессета (MP3 и MP4), алгоритмы которых постепенно оптимизируются с целью ускорения расчетов. Уже в 1999 г. пользователям становится доступно автоматическое определение типа процессора (различных поколений Intel и AMD) и оптимальной для него реализации отдельных процедур. Начинается работа по созданию версии, поддерживающей параллельное исполнение части блоков программы. Постепенно добавляются новые и улучшаются существующие процедуры интерполяции и экстраполяции в процессах оптимизации, в частности метод геометрической оптимизации с использованием прямого обращения в подпространстве итераций (GDIIS); и расширяются возможности визуализации результатов расчетов. К 2004 г. реализуется быстрый алгоритм расчетов в рамках приближения функционала плотности (DFT) с гибридными функционалами. Расширяются возможности использования различных вариантов базисных наборов, включая наборы с общим сжатием функций (general contraction basis sets) и наборы сферических функций. Параллельно ведется работа по усовершенствованию исполняемых файлов, рассчитанных на использование под ОС Linux и Windows, и расширяется спектр процедур, реализованных в параллельном варианте. К 2006 г. появляются эффективные алгоритмы нестационарных методов Хартри-Фока (TDHF) и функционала плотности (TDDFT), а также метод конфигурационного взаимодействия однократно-возбужденных конфигураций КВ1 (CIS) и более быстрые варианты методов MCQDPT2 и многоконфигурационного метода самосогласованного поля (MCSCF), которые в совокупности сформировали очень широкий спектр взаимодополняющих подходов для описания возбужденных электронных состояний систем различной природы. В 2007 г. пользователям становятся доступны версии программы, которые оптимизированы для использования с различными реализациями распараллеливания расчетов (MPICH, MPICH-GM, MPICH-MX, OpenMPI, Scali MPI, HP-MPI, Intel MPI 3.0, Infinipath MPI). В 2008 появляется новый алгоритм поиска и локализации конических пересечений (conical intersection, CI). Расширяется спектр доступных функционалов в методе DFT и спектр методов, в которых учет влияния среды может быть выполнен в рамках модели поляризуемого континуума (PCM). В 2009 г. происходит официальная смена названия программы: отныне она называется Firefly [4], поскольку к этому моменту отличие от исходного программного кода пакета GAMESS составляло около 70%. В это же время А.А. Грановский теоретически формулирует и программно реализует расширенный вариант метода MCQDPT2, названный им xMCQDPT2 [5]. Появляются новые алгоритмы расчета спин-орбитальных взаимодействий; модифицируются процедуры MP2 и MP4; становятся возможными расчет градиентов отдельных состояний и поиски конических пересечений при произвольном усреднении нескольких состояний в рамках подхода SA-CASSCF [6]. Продолжает расширяться спектр доступных функционалов, включая двойные гибридные, и появляется учет аддитивных поправок на дисперсионные взаимодействия (DFT-D). Реализуются более быстрые и эффективные варианты методов MP2, MCQDPT2 и xMCQDPT2 с разложением единицы (RI-MP2, RI-MCQDPT2, RI-xMCQDPT2) Расчеты в рамках оригинального метода xMCQDPT становятся возможными при использовании больших активных пространств при больших размерах базисных наборов атомных функций, что кардинально расширяет спектр молекулярных систем, доступных для моделирования. При этом не прекращается работа по оптимизации существующих алгоритмов под новые поколения процессоров, теперь уже многоядерных. В настоящее время пакет Firefly является наиболее быстрым и наименее требовательным к вычислительным ресурсам пакетом, реализующим как широко распространенные методы Хартри-Фока, теории возмущений и функционала плотности, так и многоконфигурационные методы. Использование пакета Firefly позволило проводить сложные многоконфигурационные расчеты больших молекул, таких как органические красители, органические полупроводники и биохромофоры. Это позволяет изучать фотохимию и электрохимию таких систем [7,8], углублять знания о функционировании биологически важных молекул и проектировать органические электронные и фотонные устройства. Скорость работы Firefly позволяет обеспечить его эффективное взаимодействие с пакетами квантовой динамики для вычисления матричных элементов взаимодействия между различными электронными состояниями, что необходимо для моделирования фотопроцессов в молекулах.

Ссылки

• [1] А.А. Грановский, В.Б. Павлов-Веревкин. Внутримолекулярная динамика и спектры: применения метода Хеллера к N-уровневым системам. // Журнал Физической химии, 1993, N.8, стр. 1635-1638
• [2] А.А. Грановский, В.Б. Павлов-Веревкин, Н.Ф. Степанов. Шрамы неусточивых периодических орбит в волновых функциях: квазиклассическое квантование. // Журнал Физической химии, 1996, т. 70, N.6, стр. 1069-1076
• [3] https://www.msg.chem.iastate.edu/gamess/
• [4] http://classic.chem.msu.su/gran/gamess/index.html
• [5] A. A. Granovsky, Extended multi-configuration quasi-degenerate perturbation theory: The new approach to multi-state multi-reference perturbation theory, J. Chem. Phys. 134, 214113 (2011)
• [6] A. A. Granovsky, An efficient approach to compute state-specific nuclear gradients for a generic state-averaged multi-configuration self consistent field wavefunction, J. Chem. Phys. 143, 231101 (2015)
• [7] A.Ya. Freidzon, I. Kurbatov, and V. Vovna, Ab initio calculation of energy levels of trivalent lanthanide ions. Physical Chemistry Chemical Physics, 20(21):14564–14577, 2018
• [8] Krysko, I. D., Freidzon, A. Y., and Bagaturyants, A. A. Theoretical study of the intramolecular localization and migration of a triplet exciton in the n,n$prime$-di(1-naphthyl)-n,n$prime$-diphenyl-(1,1$prime$-biphenyl)-4,4$prime$-diamine ($upalpha$-npd) molecule. Journal of Physical Chemistry C 123, 17 (2019), 11171–11178