科學家利用超級計算機來推動離子遷移的研究

（文章來源：教育新聞網(wǎng)）

長期以來，什么都沒有。然后突然，有些事情。經(jīng)過長時間的沉悶之后，大自然中的奇妙事物可能會突然爆發(fā)-罕見的事件，例如蛋白質折疊，化學反應，甚至甚至是云的播種。路徑采樣技術是一種計算機算法，通過關注過渡發(fā)生的過程部分來處理數(shù)據(jù)的模糊性。

科學家們正在使用XSEDE分配的超級計算機來幫助理解穿過原子薄的納米多孔膜的水中鹽類相對罕見的事件。從實際的角度來看，通過膜的離子傳輸速率需要最小化。但是，為了實現(xiàn)此目標，有必要獲取單個運輸事件的統(tǒng)計代表性圖片，以了解控制其運輸速度的因素。這項研究不僅可以幫助淡化淡水方面取得進展，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用。

根據(jù)2020年1月在細胞雜志《物質》(Matter)上在線發(fā)表的一項研究，先進的路徑采樣技術和分子動力學(MD)模擬捕獲了溶質通過納米多孔膜傳輸?shù)膭恿W。耶魯大學化學與環(huán)境工程學助理教授阿米爾·哈吉·阿克巴里(Amir Haji-Akbari)說：“目標是計算溶質的平均初次通過時間，而不管其大小如何。”

該團隊被XSEDE授予超級計算時間，XSEDE是由美國國家科學基金會資助的極限科學與工程發(fā)現(xiàn)環(huán)境(XSEDE)。在這項研究中，使用了TACC的XSEDE分配的Stampede2系統(tǒng)進行仿真，尤其是Stampede2的Skylake節(jié)點。Haji-Akbari說：“ XSEDE對我們所做的工作非常有用且必不可少?！薄斑@是因為正向通量采樣方法中的基本軌跡是相當昂貴的原子模擬。我們絕對無法使用耶魯實驗室本地的資源來完成這些研究?！?/p>

MD模擬用于計算在原子級研究的系統(tǒng)中的力。MD的問題在于，即使當今功能最強大的超級計算機也只能在幾百微秒的時間范圍內處理數(shù)字運算。在研究中，拒絕某些溶質或離子的半透膜的平均首次通過時間可能比MD可以通過的時間長得多。

“我們使用了一種稱為正向通量采樣的技術，該技術可以與平衡和非平衡MD均等使用。非平衡方面對我們尤為重要，因為當您考慮驅動溶質或離子傳輸時，處理壓力驅動的或通過外部電場驅動的非平衡過程，” Haji-Akbari說?？梢韵胂笠幌?，通過活塞將鹽水推向隔膜皮膚，而鹽水只能將水擠出，從而留下鈉離子和氯離子，從而使人對此有所了解。

Haji-Akbari及其同事將這種實驗裝置與特殊的膜一起使用，該膜具有穿過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，應該被拒絕的溶質仍然可以容納。Haji-Akbari說：“從幾何學上講，這些溶質可以進入毛孔并相應地通過膜。”“但是，似乎阻止他們這樣做的事實是，例如，當您的溶質在水中時，該溶質與我們稱為其溶劑化殼的物質之間通常存在很強的聯(lián)系，或者在如果是水溶液，則為水合殼?！?/p>

在此示例中，溶劑分子可以聚集在一起，與中心溶質結合。為了使溶質進入膜中，溶質必須損失其中一些塊狀分子，而損失這些分子會消耗能量，這相當于其進入膜的屏障。然而，事實證明，這張照片雖然準確，但并不完整。

Haji-Akbari說：“當離子穿過納米多孔膜時，還有另一個因素會將其拉回并阻止其進入并穿過孔?！薄拔覀兡軌蜩b定出一種非常有趣的，以前未知的離子通過納米孔傳輸?shù)臋C制。這種機械方面就是我們所說的感應電荷各向異性?！睘榱私o您一個簡單的視角，想象一下一個進入納米孔的氯離子。一旦接近然后進入納米孔，它將對進料中剩余的離子進行分類。由于孔中存在氯離子，因此進料中的鈉離子比氯離子更可能靠近孔口。

Haji-Akbari解釋說：“這是拉低主導離子的另一個因素?！薄澳慊旧嫌袃蓚€因素，先前已知的部分脫水;但是據(jù)我們所知，這是第一次被識別出的感應電荷各向異性?！笨茖W小組的計算方法基于正向通量采樣，該方法可并行進行，因為計算組件之間的相互作用并不強烈。Haji-Akbari說：“高性能計算非常適合使用這些類型的方法?！薄拔覀円郧坝盟鼇硌芯烤w成核。這是我們第一次用它來研究離子通過膜的遷移。”

隨著超級計算機變得越來越好，它們?yōu)榭茖W家提供了更現(xiàn)實的方式來探索無法解釋的工具。Haji-Akbari說：“我們知道，在實際系統(tǒng)中，任何分子或離子的電子云都會受到其環(huán)境的影響。”“這些影響通常是在極化力場中解決的，它們更精確，但模擬起來更昂貴。由于我們進行的計算已經(jīng)非常昂貴，因此我們無法負擔得起使用那些極化力場。我們希望在某個時候這樣做，特別是如果我們有足夠的資源這樣做的話。”

“超級計算機在解決我們無法使用常規(guī)計算資源解決的問題時非常有用。例如，如果沒有超級計算機我們就無法進行此計算。它們在訪問兩個實驗都無法訪問的標尺方面非常有價值，因為它們缺乏分辨率;或者是模擬，因為您需要大量的計算機節(jié)點和處理器來解決這個問題，” Haji-Akbari總結道。
（責任編輯：fqj）