Vetenskapens vatten är lerigt nuförtiden - särskilt vid University of California San Diego där allt som skiljer en kemist från en fysiker i vissa fall är kontorsgips. Kemister ställer frågorna i sina experiment, och fysiker tillhandahåller svaren med de verktyg som behövs för att göra jobbet. Ibland behöver det jobbet vara snabbare och enklare, så en beräkningsexpert kallas in. Lägg till en biologisk specialist i mixen och du har ett recept på banbrytande vetenskap som bryter gränser. Och skönheten i det gränsöverskridande i kemisten Francesco Paesanis "labb" börjar med de mest grundläggande elementen - vatten.

"Vatten är ett nyckellösningsmedel, och det ämne som har studerats mest historiskt, " förklarade Paesani. "Det är dynamiskt; den rör sig ständigt och skapar band som ibland bryts isär - liknande partner på ett dansgolv. Vi har lyckats modellera det."

Vad det betyder är att Paesani och hans team av forskare – från grundutbildning till postdoktorala forskare – tillämpar beräkningskemi för att simulera realistiska kemiska processer. I havsvatten, till exempel, dessa processer sker mellan vattenmolekylerna och en mängd organiska och biologiska föreningar. För att modellera reaktionerna, Paesanis forskargrupp förvandlar havsvattnets kemiska verklighet till en datoriserad modellmatris av färgglada molekyler som dansar runt skärmen. Simuleringen ger upphov till observationer som kan undersökas, mätt och beräknat för att testa hur de stämmer överens med den riktiga saken.

Med ny finansiering från US Department of Energy, uppgiften för Paesanis virtuella labb är att samla in data om materialegenskaper, som vatten, tillämpa det på maskininlärning, optimera materialet genom modifieringar baserade på simuleringar och sedan syntetisera ett idealiskt material som kan användas, till exempel, att utvinna vatten ur atmosfären.

"Vattnets vätebindningar är avgörande för allt liv, ", noterade Paesani. "Vatten är det enda lösningsmedlet som kan göra bindningarna helt rätt. Om vi ​​kunde exponera ett visst material för luft, vi kunde utvinna vatten ur atmosfären, där den alltid är närvarande - under dagen är den i gasform, på natten blir det flytande. Om vi ​​har ett material som fungerar som en svamp för att absorbera de små spåren av vattenånga, vi kan göra framsteg mot att ta itu med vattenbrist på planeten."

Forskarna överbryggar gapet mellan materiell verklighet och datoriserade simuleringar genom att utföra experiment med ljus, till exempel, att undersöka interaktionerna mellan molekyler, från små gaskluster till komplexa vattenlösningar. Resultatet av dessa interaktioner är ett vibrationsspektrum som reflekterar hur vattenmolekyler interagerar med varandra och andra komponenter i lösningen, som kan beräknas från simuleringar och visas på skärmen.

"Det mesta av kemi sker vid gränssnitten, ", sade Paesani. "Resultaten av vetenskapen kan potentiellt gälla elektrokemi och den trånga miljön i en cell. Vi tänjer på gränserna för beräkningskemi, ställa frågan om hur man återger verkligheten på ett troget sätt. "

Enligt doktorand i kemi Teri Lambros, forskningen han bedriver med Paesani Research Group erbjuder möjligheten att göra kemi realistiskt på datorn.

"Simulering av realistiska kemiska reaktioner är beräkningskemins heliga gral, "sade Lambros.

Bredden av forskningserfarenhet studenter får vid UC San Diego går inte förlorad på postdoktor Dan Moberg.

"Det arbete vi gör här är ett utmärkt tillfälle för våra karriärer, "noterade Moberg.

Paesani övar en pay-it-forward, tvärvetenskapligt förhållningssätt till vetenskap, vägleda sina elever och inkludera andra forskare i forskningen – allt i syfte att erbjuda resultat som är användbara för en hel forskargemenskap.

"Målet är att främja vetenskapen med resultat som teoretiker kan bygga vidare på, sa Paesani, lägga till vad han ofta säger till sina elever, "Det är inte hemkörningen, men Hall of Fame som räknas."

Superdatoraktiverade simuleringar ökar noggrannheten, Spara tid

Paesani Group är bland de mest robusta användarna av San Diego Supercomputer Center (SDSC), en organiserad forskningsenhet vid UC San Diego. Förutom deras eget datorkluster inrymt på SDSC, Paesani-gruppen använder SDSC:s superdatorresurser för att köra simuleringar av molekylär dynamik parallellt, påskynda deras arbete och öka deras effektivitet.

Både National Science Foundation (NSF)-finansierade superdatorer känd som Comet, används av forskare runt om i världen, och Triton Shared Computing Cluster (TSCC), designad främst för UC San Diego-forskare, är av stor betydelse för Paesani -gruppen och forskare gillar dem. De är beroende av dessa massivt parallella superdatorresurser för att köra simuleringar av molekylär dynamik eller andra dataintensiva beräkningar som helt enkelt inte skulle vara möjliga på traditionella stationära datorer.

Mycket av arbetet som Paesani-gruppen gör, till exempel, kräver att man utforskar de många sätt som molekylerna i ett intressant system kan omordna och omorientera för en given temperatur, tryck, volym, etc. Detta kräver vanligtvis att man kör ett stort antal banor för långa tidsskalor. I allmänhet, ju längre och större system de modellerar, desto mer grundligt och fullständigt har de återskapat de tillstånd som dess verkliga motsvarighet skulle uppleva. Comets mycket parallelliserbara miljö och processorer med många kärnor är därför väl lämpade för att underlätta deras arbete.

"Några av dessa system, som Comet, erbjuder även GPU-drivna noder, kapabla till massivt parallelliserade jobb för program som är designade för matrismultiplikationsuppgifter som GPU:er utmärker sig vid, sa Daniel Moberg, en postdoktor i Paesani-gruppen. "TSCC är användbart för vår grupp eftersom vi kräver många tusen små simuleringar för att skapa korrekta representationer av vatten eller andra system. Varje enskild simulering kräver inte mycket parallellisering, men att köra hundratals i tandem på de många kärnorna förutsatt att superdatorer snabbar upp vår genomströmning avsevärt."

Enligt Moberg, förutom att använda Comet och TSCC, gruppen har också använt sig av Stampede2 vid Texas Advanced Computing Center, och Bridges vid Pittsburgh Supercomputing Center (PSC). Tilldelningar på Comet och dessa system tillhandahålls via NSF:s eXtreme Science and Engineering Discovery Environment (XSEDE).