長(zhǎng)期以來(lái)，什么都沒(méi)有。然后突然，有些事情。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的沉悶之后，大自然中的奇妙事物可能會(huì)突然爆發(fā)-罕見(jiàn)的事件，例如蛋白質(zhì)折疊，化學(xué)反應(yīng)，甚至甚至是云的播種。路徑采樣技術(shù)是一種計(jì)算機(jī)算法，通過(guò)關(guān)注過(guò)渡發(fā)生的過(guò)程部分來(lái)處理數(shù)據(jù)的模糊性。

科學(xué)家們正在使用XSEDE分配的超級(jí)計(jì)算機(jī)來(lái)幫助理解穿過(guò)原子薄的納米多孔膜的水中鹽類相對(duì)罕見(jiàn)的事件。從實(shí)際的角度來(lái)看，通過(guò)膜的離子傳輸速率需要最小化。但是，為了實(shí)現(xiàn)此目標(biāo)，有必要獲取單個(gè)運(yùn)輸事件的統(tǒng)計(jì)代表性圖片，以了解控制其運(yùn)輸速度的因素。這項(xiàng)研究不僅可以幫助淡化淡水方面取得進(jìn)展，而且還可以幫助淡化海水。它在凈化環(huán)境，更好的藥物等方面具有應(yīng)用。

根據(jù)2020年1月在細(xì)胞雜志《物質(zhì)》(Matter)上在線發(fā)表的一項(xiàng)研究，先進(jìn)的路徑采樣技術(shù)和分子動(dòng)力學(xué)(MD)模擬捕獲了溶質(zhì)通過(guò)納米多孔膜傳輸?shù)膭?dòng)力學(xué)。

耶魯大學(xué)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)助理教授阿米爾·哈吉·阿克巴里(Amir Haji-Akbari)說(shuō)：“目標(biāo)是計(jì)算溶質(zhì)的平均初次通過(guò)時(shí)間，而不管其大小如何。”

該團(tuán)隊(duì)被XSEDE授予超級(jí)計(jì)算時(shí)間，XSEDE是由美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)資助的極限科學(xué)與工程發(fā)現(xiàn)環(huán)境(XSEDE)。在這項(xiàng)研究中，使用了TACC的XSEDE分配的Stampede2系統(tǒng)進(jìn)行仿真，尤其是Stampede2的Skylake節(jié)點(diǎn)。

Haji-Akbari說(shuō)：“ XSEDE對(duì)我們所做的工作非常有用且必不可少。”“這是因?yàn)檎蛲坎蓸臃椒ㄖ械幕拒壽E是相當(dāng)昂貴的原子模擬。我們絕對(duì)無(wú)法使用耶魯實(shí)驗(yàn)室本地的資源來(lái)完成這些研究。”

MD模擬用于計(jì)算在原子級(jí)研究的系統(tǒng)中的力。MD的問(wèn)題在于，即使當(dāng)今功能最強(qiáng)大的超級(jí)計(jì)算機(jī)也只能在幾百微秒的時(shí)間范圍內(nèi)處理數(shù)字運(yùn)算。在研究中，拒絕某些溶質(zhì)或離子的半透膜的平均首次通過(guò)時(shí)間可能比MD可以通過(guò)的時(shí)間長(zhǎng)得多。

“我們使用了一種稱為正向通量采樣的技術(shù)，該技術(shù)可以與平衡和非平衡MD均等使用。非平衡方面對(duì)我們尤為重要，因?yàn)楫?dāng)您考慮驅(qū)動(dòng)溶質(zhì)或離子傳輸時(shí)，處理壓力驅(qū)動(dòng)的或通過(guò)外部電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)的非平衡過(guò)程，” Haji-Akbari說(shuō)。

可以想象一下，通過(guò)活塞將鹽水推向隔膜皮膚，而鹽水只能將水?dāng)D出，從而留下鈉離子和氯離子，從而使人對(duì)此有所了解。

Haji-Akbari及其同事將這種實(shí)驗(yàn)裝置與特殊的膜一起使用，該膜具有穿過(guò)三層石墨烯的納米孔。出人意料的是，即使在很小的規(guī)模下，應(yīng)該被拒絕的溶質(zhì)仍然可以容納。

Haji-Akbari說(shuō)：“從幾何學(xué)上講，這些溶質(zhì)可以進(jìn)入毛孔并相應(yīng)地通過(guò)膜。”“但是，似乎阻止他們這樣做的事實(shí)是，例如，當(dāng)您的溶質(zhì)在水中時(shí)，該溶質(zhì)與我們稱為其溶劑化殼的物質(zhì)之間通常存在很強(qiáng)的聯(lián)系，或者在如果是水溶液，則為水合殼。”

在此示例中，溶劑分子可以聚集在一起，與中心溶質(zhì)結(jié)合。為了使溶質(zhì)進(jìn)入膜中，溶質(zhì)必須損失其中一些塊狀分子，而損失這些分子會(huì)消耗能量，這相當(dāng)于其進(jìn)入膜的屏障。然而，事實(shí)證明，這張照片雖然準(zhǔn)確，但并不完整。

Haji-Akbari說(shuō)：“當(dāng)離子穿過(guò)納米多孔膜時(shí)，還有另一個(gè)因素會(huì)將其拉回并阻止其進(jìn)入并穿過(guò)孔。”“我們能夠鑒定出一種非常有趣的，以前未知的離子通過(guò)納米孔傳輸?shù)臋C(jī)制。這種機(jī)械方面就是我們所說(shuō)的感應(yīng)電荷各向異性。”

為了給您一個(gè)簡(jiǎn)單的視角，想象一下一個(gè)進(jìn)入納米孔的氯離子。一旦接近然后進(jìn)入納米孔，它將對(duì)進(jìn)料中剩余的離子進(jìn)行分類。由于孔中存在氯離子，因此進(jìn)料中的鈉離子比氯離子更可能靠近孔口。

Haji-Akbari解釋說(shuō)：“這是拉低主導(dǎo)離子的另一個(gè)因素。”“你基本上有兩個(gè)因素，先前已知的部分脫水;但是據(jù)我們所知，這是第一次被識(shí)別出的感應(yīng)電荷各向異性。”

科學(xué)小組的計(jì)算方法基于正向通量采樣，該方法可并行進(jìn)行，因?yàn)橛?jì)算組件之間的相互作用并不強(qiáng)烈。Haji-Akbari說(shuō)：“高性能計(jì)算非常適合使用這些類型的方法。”“我們以前用它來(lái)研究晶體成核。這是我們第一次用它來(lái)研究離子通過(guò)膜的遷移。”

隨著超級(jí)計(jì)算機(jī)變得越來(lái)越好，它們?yōu)榭茖W(xué)家提供了更現(xiàn)實(shí)的方式來(lái)探索無(wú)法解釋的工具。

Haji-Akbari說(shuō)：“我們知道，在實(shí)際系統(tǒng)中，任何分子或離子的電子云都會(huì)受到其環(huán)境的影響。”“這些影響通常是在極化力場(chǎng)中解決的，它們更精確，但模擬起來(lái)更昂貴。由于我們進(jìn)行的計(jì)算已經(jīng)非常昂貴，因此我們無(wú)法負(fù)擔(dān)得起使用那些極化力場(chǎng)。我們希望在某個(gè)時(shí)候這樣做，特別是如果我們有足夠的資源這樣做的話。”

“超級(jí)計(jì)算機(jī)在解決我們無(wú)法使用常規(guī)計(jì)算資源解決的問(wèn)題時(shí)非常有用。例如，如果沒(méi)有超級(jí)計(jì)算機(jī)我們就無(wú)法進(jìn)行此計(jì)算。它們?cè)谠L問(wèn)兩個(gè)實(shí)驗(yàn)都無(wú)法訪問(wèn)的標(biāo)尺方面非常有價(jià)值，因?yàn)樗鼈內(nèi)狈Ψ直媛?或者是模擬，因?yàn)槟枰罅康挠?jì)算機(jī)節(jié)點(diǎn)和處理器來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題，” Haji-Akbari總結(jié)道。