Datakraft løser molekylært mysterium

Kemiske reaktioner finder sted omkring os hele tiden - i den luft, vi trækker vejret, vandet vi drikker, og på de fabrikker, der laver produkter, vi bruger i hverdagen. Og disse reaktioner er uventet hurtige. I betragtning af optimale forhold, molekyler kan reagere med hinanden på en kvadrilliondel af et sekund.

Industrien stræber konstant efter at opnå hurtigere og bedre kemiske processer. Fremstilling af brint, som kræver splittelse af vandmolekyler, er et eksempel. For at forbedre processerne, forskere skal vide, hvordan forskellige molekyler reagerer med hinanden, og hvad der udløser reaktionerne. Computersimuleringer kan gøre det muligt at studere, hvad der sker i løbet af en kvadrilliondel af et sekund, så hvis sekvensen af ​​en kemisk reaktion er kendt, eller hvis de udløsere, der starter reaktionen, ofte forekommer, trinene i reaktionen kan studeres.

Men det er ofte ikke tilfældet i praksis. Molekylære reaktioner opfører sig ofte forskelligt. Optimale forhold er ofte ikke til stede, ligesom med vandmolekyler, der bruges til brintproduktion, og det gør reaktioner udfordrende at undersøge, selv med computersimuleringer.

Indtil for nylig, forskere har ikke vidst, hvad der starter spaltningen af ​​vandmolekyler. Imidlertid, det vides, at et vandmolekyle har en levetid på 10 timer, før det deler sig. Ti timer lyder måske ikke som lang tid, men i forhold til den molekylære tidsskala - en kvadrilliondel af et sekund - er den ret lang. Dette gør det super-udfordrende at bestemme den mekanisme, der får vandmolekyler til at dele sig. Det er som at lede efter en nål i en høstak.

NTNU -forskere har for nylig fundet en måde at identificere den nål i høstakken. I deres undersøgelse, de kombinerede to teknikker, der ikke tidligere havde været brugt sammen.

De studerede næsten 100, 000 simuleringsbilleder af denne type, før de kunne identificere, hvad der får vandmolekylerne til at splitte. Masser af computerkraft gik til disse simuleringer. Ved at bruge deres særlige metode, det lykkedes forskerne at simulere præcis, hvordan vandmolekyler splittes. "Vi begyndte at se på disse 10, 000 simuleringsfilm og analysere dem manuelt, forsøger at finde årsagen til, at vandmolekyler splittes, "siger forsker Anders Lervik ved NTNUs Institut for Kemi. Han udførte sit arbejde med professor Titus van Erp.

"Efter at have brugt meget tid på at studere disse simuleringsfilm, vi fandt nogle interessante relationer, men vi indså også, at datamængden var for massiv til at undersøge alt manuelt. "Forskerne brugte en machine learning -metode til at opdage årsagerne, der udløser reaktionen. Denne metode er aldrig blevet brugt til simuleringer af denne type. Gennem denne analyse har de opdagede et lille antal variabler, der beskriver, hvad der starter reaktionerne.

Det, de fandt, giver detaljeret viden om den forårsagende mekanisme, samt ideer til at forbedre processen. At finde måder, hvorpå industrielle kemiske reaktioner kan ske hurtigere og mere effektivt, har taget et betydeligt skridt fremad med denne forskning. Det giver et stort potentiale for at forbedre brintproduktionen.