Supercomputere driver forskning i iontransport

I lang tid, ikke noget. Så pludselig, noget. Vidunderlige ting i naturen kan briste på scenen efter lange perioder med sløvhed - sjældne hændelser som proteinfoldning, kemiske reaktioner, eller endda såning af skyer. Stiudtagningsteknikker er computeralgoritmer, der omhandler sløvhed i data ved at fokusere på den del af processen, hvor overgangen sker.

Forskere bruger XSEDE-tildelte supercomputere til at forstå den relativt sjældne hændelse af salte i vand, der passerer atom-tynde, nanoporøse membraner. Fra et praktisk perspektiv, iontransporthastigheden gennem en membran skal minimeres. For at nå dette mål, imidlertid, det er nødvendigt at få et statistisk repræsentativt billede af individuelle transporthændelser for at forstå de faktorer, der styrer hastigheden. Denne forskning kunne ikke kun hjælpe med at gøre fremskridt med afsaltning til ferskvand; det har applikationer til dekontaminering af miljøet, bedre lægemidler, og mere.

Avancerede stiudtagningsteknikker og molekylær dynamik (MD) -simuleringer fangede kinetikken for opløst transport gennem nanoporøse membraner, ifølge en undersøgelse offentliggjort online i Cell journal Stof , Januar 2020.

"Målet var at beregne de gennemsnitlige første passagetider for opløste stoffer uanset deres størrelse, "sagde studieforfatter Amir Haji-Akbari, en adjunkt i kemi og miljøteknik ved Yale University.

Teamet blev tildelt supercomputetid af XSEDE, Extreme Science and Engineering Discovery Environment (XSEDE) finansieret af National Science Foundation. Det XSEDE-tildelte Stampede2-system på TACC blev brugt til simuleringerne i denne undersøgelse, især Skylake -noder i Stampede2.

"XSEDE var ekstremt nyttig og uundværlig for det, vi lavede, "Sagde Haji-Akbari." Det er fordi de underliggende baner, der er en del af fremgangsmåden til flux-prøvetagning, er temmelig dyre atomistiske simuleringer. Vi kunne definitivt ikke have afsluttet disse undersøgelser ved hjælp af de ressourcer, vi har lokalt på Yale -laboratoriet. "

MD -simuleringer blev brugt til at beregne kræfter i systemet undersøgt på atomniveau. Problemet med MD er, at selv nutidens mest kraftfulde supercomputere kun kan håndtere talknusning i tidsrum på et par hundrede mikrosekunder. De halvgennemtrængelige membraner under undersøgelse, der afviste bestemte opløste stoffer eller ioner, havde en gennemsnitlig gennemgangstid, der kunne være meget længere end de tidspunkter, der var tilgængelige for MD.

"Vi brugte en teknik kaldet forward flux sampling, som kan bruges ligeligt med ligevægt og ikke-ligevægt MD. Ikke-ligevægtsaspektet er særlig vigtigt for os, fordi, når du tænker på drevet opløst stof eller iontransport, du har at gøre med en ikke-ligevægtsproces, der enten er trykdrevet eller drives gennem eksterne elektriske felter, "Sagde Haji-Akbari.

Man kan få en idé til dette ved at forestille sig, at saltvand skubbes af stempler mod en membranhud, der kun presser vand ud, efterlader natrium- og chloridionerne.

Haji-Akbari og kolleger brugte denne eksperimentelle opsætning med en særlig membran med en nanopore gennem tre lag grafen. Overraskende, selv i den lille skala, opløste stoffer, der formodes at blive afvist, kan stadig passe.

"Geometrisk, disse opløste stoffer kan komme ind i porerne og passere membranen i overensstemmelse hermed, "Sagde Haji-Akbari." Dog, Det, der ser ud til at forhindre dem i at gøre det, er det faktum, at når du har et opløst stof, der er i vand, for eksempel, der er normalt en stærk sammenhæng mellem det opløste stof og det, vi kalder dets solvationsskal, eller i tilfælde af vandige opløsninger, hydratiseringsskallen. "

I dette eksempel, opløsningsmiddelmolekyler kan klumpe sig sammen, bindende til det centrale opløste stof. For at det opløste stof kan komme ind i membranen, det skal miste nogle af disse klumpede molekyler, og at miste molekylerne koster energi, hvilket udgør en barriere for deres indtræden i membranen. Imidlertid, det viser sig, at dette billede, selvom det er præcist, er ikke komplet.

"Når du har en ion, der passerer gennem en nanoporøs membran, der er en anden faktor, der trækker den tilbage og forhindrer den i at komme ind og krydse poren, "Sagde Haji-Akbari." Vi var i stand til at identificere en meget interessant, tidligere ukendt mekanisme til iontransport gennem nanoporer. Det mekanistiske aspekt er det, vi kalder induceret ladningsanisotropi. "

For at give dig et enkelt perspektiv på, hvad det er, forestil dig en chloridion, der kommer ind i en nanopore. Når det nærmer sig og derefter kommer ind i nanoporen, den sorterer de resterende ioner, der er i foderet. På grund af tilstedeværelsen af ​​det klorid inde i poren, det vil være mere sandsynligt, at natriumioner i foderet er tættere på poremunden end chloridionerne.

"Det er den ekstra faktor, der trækker den førende ion tilbage, "Forklarer Haji-Akbari." Du har dybest set to faktorer, delvis dehydrering, som tidligere var kendt; men også denne inducerede ladningsanisotropi, der så vidt vi ved, er første gang, dette er blevet identificeret. "

Videnskabsteamet baserede deres beregningsmetode på fremadgående flux -prøveudtagning, hvilket er paralleliserbart, fordi beregningskomponenterne ikke interagerer så stærkt med hinanden. "Højtydende computing er meget velegnet til at bruge disse typer metoder, "Sagde Haji-Akbari." Vi har tidligere brugt det til at studere krystalkernen. Det er første gang, vi bruger det til at studere iontransport gennem membraner. "

Efterhånden som supercomputere bliver bedre og bedre, de tilbyder forskere værktøjer til at udforske det uforklarlige på en mere realistisk måde.

"Vi ved, at i virkelige systemer, den elektroniske sky af ethvert molekyle eller ion vil blive påvirket af dets miljø, "Sagde Haji-Akbari." Den slags effekter er normalt redegjort for i polariserbare kraftfelter, som er mere præcise, men dyrere at simulere. Fordi den beregning, vi foretog, allerede var meget dyr, vi havde ikke råd til at bruge de polariserbare kraftfelter. Det er noget, vi gerne vil gøre på et tidspunkt, især hvis vi har ressourcer til det. "

"Supercomputere er yderst nyttige til at besvare spørgsmål, som vi ikke kan løse med almindelige computerressourcer. F.eks. vi kunne ikke have foretaget denne beregning uden en supercomputer. De er ekstremt værdifulde i at få adgang til skalaer, der ikke er tilgængelige for begge eksperimenter, på grund af deres manglende opløsning; eller simuleringer, fordi du har brug for et stort antal computernoder og processorer for at kunne løse det, "Konkluderede Haji-Akbari.