Verdens hastighedsrekord for polymersimuleringer knust med over hundrede gange

Fra en ydmyg plasticpose til ultralette flyvinger, polymerer er overalt. Disse molekyler er lange kæder af atomer, der spiller mange roller på godt og ondt, fra organisk solcelle til uforgængelig plastikforurening. Polymerer er nyttige i flydende form, samt:Forskellen mellem tomatpuré og ketchup er kun 0,5 procent xanthangummi, som er en polymer lavet af sukker. Ketchup er tyk, men ikke klistret, takket være xanthankæder, der er så lange, at de trænger ind i hinanden og danner et sammenfiltret væv, der modstår strømning. Det samme princip understøtter også højteknologiske applikationer som inkjetprint.

Det er muligt at reducere mængden af ​​fortykningsadditiver uden at kompromittere deres effekt på flowet, hvilket vil spare omkostninger og minimere miljøbelastningen. At forbinde enderne af tre lineære kæder til et enkelt punkt resulterer i en konfiguration kaldet en stjernepolymer. På grund af denne forgrenede arkitektur, væv af stjernepolymerer er dramatisk mere sammenfiltrede end deres lineære fætre med samme masse. For at forklare, hvordan denne sammenfiltring virker, overveje konceptet om en tilfældig gåtur. Forestil dig, at du er på vandretur, og du spiller et spil:smid en mønt fire gange og tag et skridt til venstre for hvert hoved, og et skridt rigtigt for hver hale. Du vil oftest ende to skridt væk fra udgangspunktet. Faktisk, hvis vi gange den endelige distance med sig selv, 2x2=4, det er lig med antallet af tilfældige trin. Dette er diffusionsloven, og det styrer bevægelsen af ​​små molekyler som vand.

For polymerer, vi er nødt til at tage den tilfældige tur til højere dimensioner. Forestil dig, at du er på vandretur igen, men denne gang, du tager hundrede venner med, og for sikkerheden, I forbinder jer alle med et reb. Hvert medlem begynder at spille det tilfældige gå-spil, men rebet har noget slapt, så det tager et stykke tid for dig at mærke hele holdets træk. Denne form for bevægelse er en tilfældig gåtur, indlejret i en anden, langsommere tilfældig gang. Her, 4x4=16 tilfældige trin er nødvendige for at flytte en afstand på to trin. Næste, forestil dig hundredvis af rebhold alle blandet så tæt, at de kun har plads til at bevæge sig op eller ned af linjen på deres eget hold. Effekten af ​​mængden bringer os til 16x16=256 trin. Kan du gætte, hvor mange skridt der kræves ved at tilføje en ekstra gren til midten af ​​hvert tovhold? Tip:det er ikke 256x256=65536. Det kræver svimlende 65536x65536=4,3 milliarder tilfældige forsøg at komme kun to skridt væk.

Dette resultat er blevet vist i en nylig undersøgelse "5-D Entanglement in Star Polymer Dynamics, " af Airidas Korolkovas udgivet i Avanceret teori og simuleringer , et nyt tidsskrift med fokus på gennembrud inden for videnskaben om modellering. En unik computeralgoritme blev opfundet for at fange de milliarder af trin, der er nødvendige for sammenfiltrede polymerer. Den kører på en højhastigheds-GPU og drager fordel af teksturmapping. Oprindeligt, denne funktion er designet til videospil, men her, det er blevet genbrugt til at beregne de molekylære kræfter inde i en lille polymerdråbe. Ved at bruge en strømlinet fysikmodel, denne simulering kører hundredvis af gange hurtigere end traditionel kode. Det åbner nye horisonter på de tidsskalaer, der kan adresseres i videnskabelig databehandling. Dette kan yderligere skubbe grænserne for den seneste generation af supercomputere, ligesom det nyligt åbnede topmøde i Oak Ridge National Lab, USA, som har næsten 30, 000 GPU'er.

Effekten af ​​højere dimensionel sammenfiltring kan observeres i det virkelige liv ved hjælp af et instrument kaldet neutronspin-ekko. Denne maskine skyder små subatomære partikler, kaldet neutroner, og lytter til ekkoet af deres nukleare spin, mens de spreder sig, eller hoppe af polymerprøven. Et godt eksempel er IN15 beamline på Institut Laue-Langevin, Frankrig, hvor sammenfiltringen af ​​lineære polymerer først blev opdaget. Takket være konstante opgraderinger og kommende nye faciliteter som European Spallation Source i Sverige, et eksperimentelt bevis på simuleringsforudsigelsen for stjernepolymerer kan snart være inden for rækkevidde. En kombination af højtydende databehandling og neutronspredning er et kraftfuldt værktøj til opdagelse af nye materialer, der forbedrer vores livskvalitet og respekterer miljøet.