Voor een lange tijd, niets. Dan ineens, iets. Prachtige dingen in de natuur kunnen op het toneel verschijnen na lange perioden van saaiheid - zeldzame gebeurtenissen zoals eiwitvouwing, chemische reacties, of zelfs het zaaien van wolken. Path sampling-technieken zijn computeralgoritmen die de saaiheid in gegevens aanpakken door zich te concentreren op het deel van het proces waarin de overgang plaatsvindt.

Wetenschappers gebruiken XSEDE-toegewezen supercomputers om de relatief zeldzame gebeurtenis van zouten in water die door atomair dunne, nanoporeuze membranen. Vanuit een praktisch perspectief, de snelheid van ionentransport door een membraan moet worden geminimaliseerd. Om dit doel te bereiken, echter, het is noodzakelijk om een ​​statistisch representatief beeld te krijgen van individuele transportgebeurtenissen om de factoren te begrijpen die de snelheid bepalen. Dit onderzoek kan niet alleen helpen om vooruitgang te boeken in de ontzilting voor zoet water; het heeft toepassingen bij het ontsmetten van het milieu, betere medicijnen, en meer.

Geavanceerde padbemonsteringstechnieken en moleculaire dynamica (MD) -simulaties legden de kinetiek vast van het transport van opgeloste stoffen door nanoporeuze membranen, volgens een studie die online is gepubliceerd in het Cell-tijdschrift Materie , januari 2020.

"Het doel was om de gemiddelde eerste passagetijden voor opgeloste stoffen te berekenen, ongeacht hun grootte, " zei co-auteur van de studie Amir Haji-Akbari, een assistent-professor chemische en milieutechniek aan de Yale University.

Het team kreeg supercomputertijd van XSEDE, de Extreme Science and Engineering Discovery Environment (XSEDE), gefinancierd door de National Science Foundation. Het door XSEDE toegewezen Stampede2-systeem bij TACC werd gebruikt voor de simulaties in deze studie, in het bijzonder de Skylake-knooppunten van Stampede2.

"XSEDE was buitengewoon nuttig en onmisbaar voor wat we deden, " zei Haji-Akbari. "Dat komt omdat de onderliggende trajecten die deel uitmaken van de voorwaartse flux-bemonsteringsmethode vrij dure atomaire simulaties zijn. We hadden deze onderzoeken absoluut niet kunnen afronden met de middelen die we lokaal in het Yale-lab hebben."

MD-simulaties werden gebruikt om krachten te berekenen in het systeem dat op atomair niveau werd bestudeerd. Het probleem met MD is dat zelfs de krachtigste supercomputers van vandaag alleen het rekenwerk aankunnen met een tijdschaal van een paar honderd microseconden. De onderzochte semi-permeabele membranen die bepaalde opgeloste stoffen of ionen afstoten, hadden een gemiddelde eerste passagetijd die veel langer kon zijn dan de tijden die toegankelijk zijn voor MD.

"We gebruikten een techniek genaamd forward flux sampling, die evenzeer kan worden gebruikt met evenwichts- en niet-evenwichts-MD. Het niet-evenwichtsaspect is voor ons bijzonder belangrijk omdat, als u denkt aan aangedreven transport van opgeloste stoffen of ionen, je te maken hebt met een niet-evenwichtsproces dat ofwel door druk wordt aangedreven of wordt aangedreven door externe elektrische velden, ' zei Haji-Akbari.

Men kan hiervoor een idee krijgen door zich voor te stellen dat zout water door zuigers tegen een membraanhuid wordt geduwd die alleen water naar buiten drukt, waardoor de natrium- en chloride-ionen achterblijven.

Haji-Akbari en collega's gebruikten deze experimentele opstelling met een speciaal membraan met een nanoporie door drie lagen grafeen. Verrassend genoeg, zelfs op die kleine schaal, opgeloste stoffen die zouden moeten worden afgewezen, kunnen nog steeds passen.

"Geometrisch, deze opgeloste stoffen kunnen de poriën binnendringen en dienovereenkomstig het membraan passeren, " zei Haji-Akbari. "Echter, wat hen ervan weerhoudt om dat te doen, is het feit dat, als je een opgeloste stof in water hebt, bijvoorbeeld, er is meestal een sterke associatie tussen die opgeloste stof en wat we zijn solvatatieschil noemen, of in het geval van waterige oplossingen, de hydratatieschaal."

In dit voorbeeld, oplosmiddelmoleculen kunnen samenklonteren, binden aan de centrale opgeloste stof. Om de opgeloste stof het membraan te laten binnendringen, het moet wat van deze dikke moleculen kwijtraken, en het verliezen van de moleculen kost energie, wat neerkomt op een barrière voor hun toegang tot het membraan. Echter, het blijkt dat deze foto, hoewel nauwkeurig, is niet compleet.

"Als je een ion hebt dat door een nanoporeus membraan gaat, er is een andere factor die het terugtrekt en verhindert dat het de porie binnendringt en doorkruist, " zei Haji-Akbari. "We waren in staat om een ​​zeer interessant, voorheen onbekend mechanisme voor ionentransport door nanoporiën. Dat mechanistische aspect is wat we anisotropie van geïnduceerde lading noemen."

Om u een eenvoudig perspectief te geven van wat dat is, stel je een chloride-ion voor dat een nanoporie binnendringt. Zodra het de nanoporie nadert en vervolgens binnengaat, het sorteert de resterende ionen die in het voer zitten. Vanwege de aanwezigheid van dat chloride in de porie, het is waarschijnlijker dat natriumionen in de voeding zich dichter bij de poriemond bevinden dan de chloride-ionen.

"Dat is de extra factor die het leidende ion terugtrekt, " legde Haji-Akbari uit. "Je hebt eigenlijk twee factoren, gedeeltelijke uitdroging, die eerder bekend was; maar ook deze geïnduceerde ladingsanisotropie die voor zover we weten de eerste keer is dat dit is geïdentificeerd."

Het wetenschappelijke team baseerde hun rekenmethode op voorwaartse fluxbemonstering, wat parallelleerbaar is omdat de computationele componenten niet zo sterk met elkaar interageren. "High performance computing is zeer geschikt voor het gebruik van dit soort methoden, " Zei Haji-Akbari. "We hebben het eerder gebruikt om kristalkiemvorming te bestuderen. Dit is de eerste keer dat we het gebruiken om ionentransport door membranen te bestuderen."

Naarmate supercomputers steeds beter worden, ze bieden wetenschappers tools om het onverklaarbare op een meer realistische manier te verkennen.

"We weten dat in echte systemen, de elektronische wolk van een molecuul of ion zal worden beïnvloed door zijn omgeving, Haji-Akbari zei. "Dat soort effecten worden meestal verklaard door polariseerbare krachtvelden, die nauwkeuriger zijn, maar duurder om te simuleren. Omdat de berekening die we deden al erg duur was, we konden het ons niet veroorloven om die polariseerbare krachtvelden te gebruiken. Dat is iets dat we op een gegeven moment zouden willen doen, vooral als we de middelen hebben om dat te doen."

"Supercomputers zijn uiterst nuttig bij het beantwoorden van vragen die we niet kunnen beantwoorden met reguliere computerbronnen. Bijvoorbeeld, we hadden deze berekening niet kunnen maken zonder een supercomputer. Ze zijn uiterst waardevol bij het verkrijgen van toegang tot schalen die voor geen van beide experimenten toegankelijk zijn, vanwege hun gebrek aan resolutie; of simulaties, omdat je een groot aantal computerknooppunten en processors nodig hebt om dat te kunnen adresseren, ’ concludeerde Haji-Akbari.