Under en lång tid, ingenting. Så plötsligt, något. Underbara saker i naturen kan brista på scenen efter långa perioder av matthet - sällsynta händelser som proteinveckning, kemiska reaktioner, eller till och med sådd av moln. Path sampling-tekniker är datoralgoritmer som hanterar mattheten i data genom att fokusera på den del av processen där övergången sker.

Forskare använder XSEDE-allokerade superdatorer för att hjälpa till att förstå den relativt sällsynta händelsen av salter i vatten som passerar genom atomärt tunna, nanoporösa membran. Ur ett praktiskt perspektiv, hastigheten för jontransport genom ett membran måste minimeras. För att uppnå detta mål, dock, det är nödvändigt att få en statistiskt representativ bild av enskilda transporthändelser för att förstå de faktorer som styr dess hastighet. Denna forskning kunde inte bara bidra till att göra framsteg i avsaltning för sötvatten; den har tillämpningar för att sanera miljön, bättre läkemedel, och mer.

Avancerade provtagningstekniker och simuleringar av molekylär dynamik (MD) fångade kinetiken för transport av lösta ämnen genom nanoporösa membran, enligt en studie publicerad online i tidskriften Cell Materia , januari 2020.

"Målet var att beräkna medeltiden för första passage för lösta ämnen oavsett deras storlek, " sa studiens medförfattare Amir Haji-Akbari, en biträdande professor i kemi- och miljöteknik vid Yale University.

Teamet tilldelades superdatortid av XSEDE, Extreme Science and Engineering Discovery Environment (XSEDE) finansierad av National Science Foundation. Det XSEDE-allokerade Stampede2-systemet vid TACC användes för simuleringarna i denna studie, i synnerhet Skylake-noderna i Stampede2.

"XSEDE var extremt användbar och oumbärlig för det vi gjorde, " Haji-Akbari sa. "Det beror på att de underliggande banorna som är en del av den framåtriktade flödesprovtagningsmetoden är ganska dyra atomistiska simuleringar. Vi kunde definitivt inte ha avslutat dessa studier med de resurser som vi har lokalt på Yale-labbet."

MD-simuleringar användes för att beräkna krafter i det studerade systemet på atomnivå. Problemet med MD är att även dagens mest kraftfulla superdatorer bara kan hantera nummerknäppning vid tidsskalor på några hundra mikrosekunder. De semipermeabla membranen som studerades och som avvisade vissa lösta ämnen eller joner hade genomsnittliga första passagetider som kunde vara mycket längre än de tider som är tillgängliga för MD.

"Vi använde en teknik som kallas framåtflödessampling, som kan användas lika med jämvikts- och icke-jämvikts-MD. Icke-jämviktsaspekten är särskilt viktig för oss eftersom, när du tänker på driven löst ämne eller jontransport, du har att göra med en icke-jämviktsprocess som antingen är tryckdriven eller drivs av yttre elektriska fält, " sa Haji-Akbari.

Man kan få en uppfattning om detta genom att föreställa sig att saltvatten trycks av kolvar mot en membranhud som bara pressar ut vatten, lämnar natrium- och kloridjonerna kvar.

Haji-Akbari och kollegor använde denna experimentella uppställning med ett speciellt membran med en nanopor genom tre lager grafen. Förvånande, även i den lilla skalan, lösta ämnen som är tänkta att avvisas kan fortfarande passa.

"Geometriskt, dessa lösta ämnen kan komma in i porerna och passera membranet i enlighet därmed, " sa Haji-Akbari. "Men, det som verkar hindra dem från att göra det är det faktum att när du har ett löst ämne i vatten, till exempel, Det finns vanligtvis ett starkt samband mellan det lösta ämnet och vad vi kallar dess lösningsskal, eller i fallet med vattenlösningar, hydreringsskalet."

I det här exemplet, lösningsmedelsmolekyler kan klumpa ihop sig, bindning till det centrala lösta ämnet. För att det lösta ämnet ska komma in i membranet, den måste förlora några av dessa tjocka molekyler, och att förlora molekylerna kostar energi, vilket utgör en barriär för deras inträde i membranet. Dock, det visar sig att den här bilden, även om det är korrekt, är inte komplett.

"När du har en jon som passerar genom ett nanoporöst membran, det finns en annan faktor som drar den tillbaka och hindrar den från att komma in i och korsa poren, " sa Haji-Akbari. "Vi kunde identifiera en mycket intressant, tidigare okänd mekanism för jontransport genom nanoporer. Den mekanistiska aspekten är vad vi kallar inducerad laddningsanisotropi."

För att ge dig ett enkelt perspektiv på vad det är, föreställ dig en kloridjon som kommer in i en nanopor. När den närmar sig och sedan går in i nanoporen, den sorterar de återstående jonerna som finns i fodret. På grund av närvaron av den kloriden inuti poren, det är mer sannolikt att natriumjoner i fodret är närmare pormunnen än kloridjonerna.

"Det är den ytterligare faktorn som drar tillbaka den ledande jonen, " Haji-Akbari förklarade. "Du har i princip två faktorer, partiell uttorkning, som tidigare var känt; men också denna inducerade laddningsanisotropi som så vitt vi vet är första gången detta har identifierats."

Forskarteamet baserade sin beräkningsmetod på sampling av framåtflöde, vilket är parallelliserbart eftersom beräkningskomponenterna inte interagerar så starkt med varandra. "Datorer med hög prestanda är mycket lämpliga för att använda dessa typer av metoder, ", sa Haji-Akbari. "Vi har tidigare använt det för att studera kristallkärnbildning. Det här är första gången som vi använder det för att studera jontransport genom membran."

Allt eftersom superdatorer blir bättre och bättre, de erbjuder forskare verktyg för att utforska det oförklarade på ett mer realistiskt sätt.

"Vi vet att i verkliga system, det elektroniska molnet av någon molekyl eller jon kommer att påverkas av dess miljö, " Haji-Akbari sa. "Denna typer av effekter redovisas vanligtvis i polariserbara kraftfält, som är mer exakta, men dyrare att simulera. Eftersom beräkningen som vi gjorde redan var mycket dyr, vi hade inte råd att använda de polariserbara kraftfälten. Det är något som vi skulle vilja göra någon gång, speciellt om vi har resurserna för att göra det."

"Superdatorer är extremt användbara för att ta itu med frågor som vi inte kan lösa med vanliga datorresurser. Till exempel, vi kunde inte ha gjort den här beräkningen utan en superdator. De är extremt värdefulla när det gäller att komma åt skalor som inte är tillgängliga för något av experimenten, på grund av deras bristande upplösning; eller simuleringar, eftersom du behöver ett stort antal datornoder och processorer för att kunna hantera det, " avslutade Haji-Akbari.