2020-03-05 00:41:01
超级计算机推动离子迁移研究

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长期以来,什么都没有。然后突然,有些事情。长时间的无聊之后,自然界中的奇妙事物可能会突然爆发,这些罕见事件包括蛋白质折叠,化学反应甚至云朵播种。路径采样技术是一种计算机算法,通过关注过渡发生的过程部分来处理数据的模糊性。

科学家们正在使用XSEDE分配的超级计算机来帮助理解穿过原子薄的纳米多孔膜的水中盐类相对罕见的事件。从实际的角度来看,通过膜的离子传输速率需要最小化。但是,为了实现此目标,有必要获取单个运输事件的统计代表性图片,以了解控制其运输速度的因素。这项研究不仅可以帮助淡化淡水方面取得进展,而且还可以帮助淡化海水。它在净化环境,更好的药物等方面具有应用。

根据2020年1月在细胞杂志《物质》(Matter)上在线发表的一项研究,先进的路径采样技术和分子动力学(MD)模拟捕获了溶质通过纳米多孔膜传输的动力学。

耶鲁大学化学与环境工程学助理教授阿米尔·哈吉·阿克巴里(Amir Haji-Akbari)说:“目标是计算溶质的平均初次通过时间,而不论其大小如何。”

该团队被XSEDE授予超级计算时间,XSEDE是由美国国家科学基金会资助的极限科学与工程发现环境(XSEDE)。在这项研究中,使用了TACC的XSEDE分配的Stampede2系统进行仿真,尤其是Stampede2的Skylake节点。

Haji-Akbari说:“ XSEDE对我们所做的工作非常有用且必不可少。” “这是因为正向通量采样方法中的基本轨迹是相当昂贵的原子模拟。我们绝对无法使用耶鲁实验室本地的资源来完成这些研究。”

MD模拟用于计算在原子级研究的系统中的力。 MD的问题在于,即使当今功能最强大的超级计算机也只能在几百微秒的时间范围内处理数字运算。在研究中,拒绝某些溶质或离子的半透膜的平均首次通过时间可能比MD可以通过的时间长得多。

“我们使用了一种称为正向通量采样的技术,该技术可以与平衡和非平衡MD均等使用。非平衡方面对我们尤为重要,因为当您考虑驱动溶质或离子传输时,处理压力驱动的或通过外部电场驱动的非平衡过程,” Haji-Akbari说。

可以想象一下,通过活塞将盐水推向隔膜皮肤,而盐水只能将水挤出,从而留下钠离子和氯离子,从而使人对此有所了解。

Haji-Akbari及其同事将这种实验装置与特殊的膜一起使用,该膜具有穿过三层石墨烯的纳米孔。出人意料的是,即使在很小的规模下,应该被拒绝的溶质仍然可以容纳。

Haji-Akbari说:“从几何学上讲,这些溶质可以进入毛孔并相应地通过膜。” “但是,似乎阻止他们这样做的事实是,例如,当您的溶质在水中时,该溶质与我们称为其溶剂化壳的物质之间通常存在很强的联系,或者在如果是水溶液,则为水合壳。”

在此示例中,溶剂分子可以聚集在一起,与中心溶质结合。为了使溶质进入膜中,溶质必须损失其中一些块状分子,而损失这些分子会消耗能量,这相当于其进入膜的屏障。然而,事实证明,这张照片虽然准确,但并不完整。

Haji-Akbari说:“当离子穿过纳米多孔膜时,还有另一个因素会将其拉回并阻止其进入并穿过孔。” “我们能够鉴定出一种非常有趣的,以前未知的离子通过纳米孔传输的机制。这种机械方面就是我们所说的感应电荷各向异性。”

为了给您一个简单的视角,想象一下一个进入纳米孔的氯离子。一旦接近然后进入纳米孔,它将对进料中剩余的离子进行分类。由于孔中存在氯离子,因此进料中的钠离子比氯离子更可能靠近孔口。

Haji-Akbari解释说:“这是拉低主导离子的另一个因素。” “你基本上有两个因素,先前已知的部分脱水;但是据我们所知,这是第一次被识别出的感应电荷各向异性。”

科学小组的计算方法基于正向通量采样,该方法可并行进行,因为计算组件之间的相互作用并不强烈。 Haji-Akbari说:“高性能计算非常适合使用这些类型的方法。” “我们以前用它来研究晶体成核。这是我们第一次用它来研究离子通过膜的迁移。”

随着超级计算机变得越来越好,它们为科学家提供了更现实的方式来探索无法解释的工具。

Haji-Akbari说:“我们知道,在实际系统中,任何分子或离子的电子云都会受到其环境的影响。” “这些影响通常是在极化力场中解决的,它们更精确,但模拟起来更昂贵。由于我们进行的计算已经非常昂贵,因此我们无法负担得起使用那些极化力场。我们希望在某个时候这样做,特别是如果我们有足够的资源这样做的话。”

“超级计算机在解决我们无法使用常规计算资源解决的问题时非常有用。例如,如果没有超级计算机我们就无法进行此计算。它们在访问两个实验都无法访问的标尺方面非常有价值,因为它们缺乏分辨率;或者是模拟,因为您需要大量的计算机节点和处理器来解决这个问题,” Haji-Akbari总结道。

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