Anvendelse af beregningskemi til at simulere realistiske kemiske processer

Videnskabens vand er mudret i disse dage - især ved University of California San Diego, hvor alt, der adskiller en kemiker fra en fysiker, i nogle tilfælde er kontorgipsvægge. Kemikere stiller spørgsmålene i deres eksperimenter, og fysikere leverer svarene med de nødvendige værktøjer til at udføre arbejdet. Nogle gange skal det arbejde være hurtigere og nemmere, så en beregningsekspert tilkaldes. Tilføj en biologisk specialist til blandingen, og du har en opskrift på banebrydende videnskab, der bryder grænser. Og skønheden ved det grænsebrud i kemiker Francesco Paesanis "laboratorium" begynder med de mest basale grundstoffer - vand.

"Vand er et nøgleopløsningsmiddel, og det stof, der er blevet studeret mest historisk, " forklarede Paesani. "Det er dynamisk; det bevæger sig konstant og skaber bånd, der nogle gange går i stykker - svarende til partnere på et dansegulv. Vi har haft succes med at modellere det."

Hvad det betyder er, at Paesani og hans team af forskere - fra bachelor- til postdoc-forskere - anvender beregningskemi til at simulere realistiske kemiske processer. I havvand, for eksempel, disse processer foregår mellem vandmolekylerne og en lang række organiske og biologiske forbindelser. For at modellere reaktionerne, Paesanis forskergruppe forvandler havvandets kemiske realiteter til en computeriseret modelmatrix af farverige molekyler, der danser rundt på skærmen. Simuleringen giver anledning til observationer, der kan undersøges, målt og beregnet for at teste, hvordan de passer sammen med den ægte vare.

Med ny finansiering fra det amerikanske energiministerium, Paesanis virtuelle laboratoriums opgave er at indsamle data om materialers egenskaber, som vand, anvende det til maskinlæring, optimere materialet gennem modifikationer baseret på simuleringer og derefter syntetisere et ideelt materiale, der kunne bruges, for eksempel, at udvinde vand fra atmosfæren.

"Vands brintbindinger er kritiske for alt liv, " bemærkede Paesani. "Vand er det eneste opløsningsmiddel, der kan gøre bindingerne helt rigtige. Hvis vi kunne udsætte et bestemt materiale for luft, vi kunne udvinde vand fra atmosfæren, hvor den altid er til stede - om dagen er den i gasform, om natten bliver det flydende. Hvis vi har et materiale, der fungerer som en svamp til at absorbere de små spor af vanddamp, vi kan gøre fremskridt i retning af at tackle vandknaphed på planeten."

Forskerne slår bro mellem den materielle virkelighed og computeriserede simuleringer ved at udføre eksperimenter med lys, for eksempel, at undersøge interaktionerne mellem molekyler, fra små gasformige klynger til komplekse vandige opløsninger. Resultatet af disse interaktioner er et vibrationsspektrum, der afspejler, hvordan vandmolekyler interagerer med hinanden og andre komponenter i opløsningen, som kan beregnes ud fra simuleringer og vises på skærmen.

"Det meste kemi sker ved grænsefladerne, " sagde Paesani. "Resultaterne af videnskaben kunne potentielt gælde for elektrokemi og det overfyldte miljø i en celle. Vi flytter grænserne for beregningskemi, stille spørgsmålet om, hvordan man gengiver virkeligheden på en trofast måde."

Ifølge kandidatstuderende i kemi Teri Lambros, den forskning, han udfører med Paesani Research Group, giver mulighed for at lave kemi realistisk på computeren.

"Simulering af realistiske kemiske reaktioner er beregningskemiens hellige gral, " sagde Lambros.

Bredden af ​​forskningserfaring, studerende får ved UC San Diego, går ikke tabt på postdoc Dan Moberg.

"Det arbejde, vi udfører her, er en fantastisk mulighed for vores karriere, " bemærkede Moberg.

Paesani praktiserer en pay-it-forward, tværfaglig tilgang til videnskab, at vejlede sine elever og inkludere andre videnskabsmænd i forskningen – alt sammen med det formål at tilbyde resultater, der er nyttige for et helt videnskabeligt samfund.

"Målet er at fremme videnskaben med resultater, som teoretikere kan bygge på, " sagde Paesani, tilføjer, hvad han ofte fortæller sine elever, "Det er ikke hjemmeløbet, men Hall of Fame der tæller."

Supercomputer-aktiverede simuleringer øger nøjagtigheden, Spare tid

Paesani Group er blandt de mest robuste brugere af San Diego Supercomputer Center (SDSC), en organiseret forskningsenhed i UC San Diego. Ud over deres egen computerklynge, der ligger hos SDSC, Paesani-gruppen gør brug af SDSC's supercomputerressourcer til at køre simuleringer af molekylær dynamik parallelt, fremskynde deres arbejde og øge deres effektivitet.

Både den National Science Foundation (NSF)-finansierede supercomputer kendt som Comet, brugt af forskere over hele verden, og Triton Shared Computing Cluster (TSCC), designet primært til UC San Diego forskere, er af stor betydning for Paesani-gruppen, og forskere kan lide dem. De er afhængige af disse massivt parallelle supercomputing-ressourcer til at køre molekylær dynamik-simuleringer eller andre dataintensive beregninger, som simpelthen ikke ville være mulige på traditionelle stationære computere.

Meget af det arbejde Paesani-gruppen udfører, for eksempel, kræver at udforske de mange måder, hvorpå molekylerne i et system af interesse kan omarrangere og omorientere til en given temperatur, tryk, bind, osv. Dette kræver typisk at køre et stort antal baner i lange tidsskalaer. Generelt, jo længere og større system de modellerer, jo mere grundigt og fuldstændigt har de genskabt de stater, som dens modstykke i den virkelige verden ville opleve. Comets meget paralleliserbare miljø og mange-core processorer er derfor velegnede til at hjælpe deres arbejde.

"Nogle af disse systemer, såsom Comet, tilbyder også GPU-drevne noder, i stand til massivt paralleliserede opgaver for programmer, der er designet til matrixmultiplikationsopgaver, som GPU'er udmærker sig ved, sagde Daniel Moberg, en postdoc-forsker med Paesani-gruppen. "TSCC er nyttig for vores gruppe, da vi kræver mange tusinde små simuleringer for at skabe nøjagtige repræsentationer af vand eller andre systemer. Hver enkelt simulering kræver ikke meget parallelisering, men at køre hundredvis i tandem på de mange kerner, forudsat at supercomputere fremskynder vores gennemløb betydeligt."

Ifølge Moberg, ud over at bruge Comet og TSCC, gruppen har også gjort brug af Stampede2 på Texas Advanced Computing Center, og Bridges ved Pittsburgh Supercomputing Center (PSC). Tildelinger på Comet og disse systemer leveres via NSF's eXtreme Science and Engineering Discovery Environment (XSEDE).