De wateren van de wetenschap zijn tegenwoordig modderig, vooral aan de Universiteit van Californië in San Diego, waar een scheikundige in sommige gevallen alleen maar gipsplaten van een fysicus onderscheidt. Chemici stellen de vragen in hun experimenten, en natuurkundigen leveren de antwoorden met de tools die nodig zijn om het werk te doen. Soms moet dat werk sneller en gemakkelijker, dus er wordt een computerexpert ingeschakeld. Voeg een biologische specialist toe en je hebt een recept voor grensverleggende baanbrekende wetenschap. En de schoonheid van het doorbreken van grenzen in het 'lab' van scheikundige Francesco Paesani begint met de meest elementaire elementen:water.

"Water is een belangrijk oplosmiddel, en de stof die het meest historisch is bestudeerd, " legde Paesani uit. "Het is dynamisch; het beweegt constant en creëert banden die soms uit elkaar vallen - vergelijkbaar met partners op een dansvloer. We hebben het met succes gemodelleerd."

Dat betekent dat Paesani en zijn team van onderzoekers - van niet-gegradueerden tot postdoctorale wetenschappers - computationele chemie toepassen om realistische chemische processen te simuleren. In oceaanwater, bijvoorbeeld, die processen vinden plaats tussen de watermoleculen en een veelvoud aan organische en biologische verbindingen. Om de reacties te modelleren, Paesani's onderzoeksgroep transformeert de chemische realiteit van oceaanwater in een gecomputeriseerde modelmatrix van kleurrijke moleculen die over het scherm dansen. De simulatie geeft aanleiding tot waarnemingen die kunnen worden onderzocht, gemeten en berekend om te testen hoe ze overeenkomen met het echte werk.

Met nieuwe financiering van het Amerikaanse ministerie van Energie, de taak van Paesani's virtuele lab is om gegevens te verzamelen over de eigenschappen van materialen, als water, toepassen op machine learning, het materiaal optimaliseren door modificaties op basis van simulaties en vervolgens een ideaal materiaal synthetiseren dat kan worden gebruikt, bijvoorbeeld, om water uit de atmosfeer te halen.

"De waterstofbruggen van water zijn van cruciaal belang voor al het leven, " merkte Paesani op. "Water is het enige oplosmiddel dat de bindingen precies goed kan maken. Als we een bepaald materiaal aan lucht zouden kunnen blootstellen, we zouden water uit de atmosfeer kunnen halen, waar het altijd aanwezig is - overdag is het in gasvormige toestand, 's nachts wordt het vloeibaar. Als we een materiaal hebben dat werkt als een spons om de kleine sporen van waterdamp te absorberen, we kunnen vooruitgang boeken bij het aanpakken van de waterschaarste op aarde."

De onderzoekers overbruggen de kloof tussen de materiële realiteit en geautomatiseerde simulaties door experimenten uit te voeren met licht, bijvoorbeeld, om de interacties tussen moleculen te onderzoeken, van kleine gasvormige clusters tot complexe waterige oplossingen. Het resultaat van deze interacties is een trillingsspectrum dat weerspiegelt hoe watermoleculen met elkaar en met andere componenten van de oplossing omgaan, die kan worden berekend op basis van simulaties en op het scherm kan worden weergegeven.

"De meeste chemie vindt plaats op de grensvlakken, " zei Paesani. "De resultaten van de wetenschap kunnen mogelijk van toepassing zijn op elektrochemie en de overvolle omgeving van een cel. We verleggen de grenzen van computationele chemie, de vraag stellen hoe de werkelijkheid op een getrouwe manier kan worden gereproduceerd."

Volgens afgestudeerde scheikundestudent Teri Lambros, het onderzoek dat hij doet met de Paesani Research Group biedt het perspectief om scheikunde realistisch op de computer te doen.

"Het simuleren van realistische chemische reacties is de heilige graal van computationele chemie, ", aldus Lambros.

De brede onderzoekservaring die studenten aan UC San Diego opdoen, gaat niet verloren aan postdoctoraal wetenschapper Dan Moberg.

"Het werk dat we hier doen is een geweldige kans voor onze carrière, ’ merkte Moberg op.

Paesani beoefent een pay-it-forward, interdisciplinaire benadering van wetenschap, het begeleiden van zijn studenten en het betrekken van andere wetenschappers bij het onderzoek - allemaal met het doel bevindingen aan te bieden die nuttig zijn voor een hele wetenschappelijke gemeenschap.

"Het doel is om de wetenschap vooruit te helpen met resultaten waarop theoretici kunnen voortbouwen, " zei Paesani, toe te voegen wat hij vaak tegen zijn studenten zegt, "Het is niet de homerun, maar de Hall of Fame die telt."

Supercomputer-enabled simulaties verhogen de nauwkeurigheid, Tijd besparen

De Paesani Group is een van de meest robuuste gebruikers van het San Diego Supercomputer Center (SDSC), een georganiseerde onderzoekseenheid van UC San Diego. Naast hun eigen rekencluster bij SDSC, de Paesani-groep maakt gebruik van de supercomputerbronnen van SDSC om parallelle simulaties van moleculaire dynamica uit te voeren, hun werk te versnellen en hun efficiëntie te verhogen.

Zowel de door de National Science Foundation (NSF) gefinancierde supercomputer die bekend staat als Comet, gebruikt door onderzoekers over de hele wereld, en het Triton Shared Computing Cluster (TSCC), voornamelijk ontworpen voor UC San Diego-onderzoekers, zijn van groot belang voor de Paesani-groep en onderzoekers zoals zij. Ze zijn afhankelijk van deze enorm parallelle supercomputerbronnen om moleculaire dynamische simulaties of andere gegevensintensieve berekeningen uit te voeren die gewoon niet mogelijk zouden zijn op traditionele desktopcomputers.

Veel van het werk dat de Paesani-groep doet, bijvoorbeeld, vereist het onderzoeken van de veelheid aan manieren waarop de moleculen in een systeem van belang kunnen herschikken en heroriënteren voor een bepaalde temperatuur, druk, volume, enz. Dit vereist typisch het uitvoeren van grote aantallen trajecten voor lange tijdschalen. In het algemeen, hoe langer en groter het systeem dat ze modelleren, hoe grondiger en vollediger ze de toestanden hebben nagebootst die hun tegenhanger in de echte wereld zou ervaren. Comet's zeer parallelliseerbare omgeving en veelkernprocessors zijn daarom zeer geschikt om hun werk te ondersteunen.

"Sommige van deze systemen, zoals komeet, bieden ook GPU-aangedreven knooppunten, in staat tot massaal parallelle taken voor programma's die zijn ontworpen voor de matrixvermenigvuldigingstaken waar GPU's in uitblinken, " zei Daniël Moberg, een postdoctoraal onderzoeker bij de Paesani-groep. "TSCC is nuttig voor onze groep omdat we vele duizenden kleine simulaties nodig hebben om nauwkeurige representaties van water of andere systemen te maken. Elke individuele simulatie vereist niet veel parallellisatie, maar honderden tegelijk draaien op de vele cores zorgde ervoor dat supercomputers onze doorvoer enorm versnellen."

Volgens Moberg naast het gebruik van Comet en TSCC, de groep heeft ook gebruik gemaakt van Stampede2 in het Texas Advanced Computing Center, en Bruggen in het Pittsburgh Supercomputing Center (PSC). Toewijzingen op Comet en die systemen worden geleverd via de eXtreme Science and Engineering Discovery Environment (XSEDE) van de NSF.