（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(zhì)折疊，化學(xué)反應(yīng)，甚至甚至是云的播種。路徑采樣技術(shù)是一種計算機(jī)算法，通過關(guān)注過渡發(fā)生的過程部分來處理數(shù)據(jù)的模糊性。

科學(xué)家們正在使用XSEDE分配的超級計算機(jī)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(shí)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(shí)現(xiàn)此目標(biāo)，有必要獲取單個運(yùn)輸事件的統(tǒng)計代表性圖片，以了解控制其運(yùn)輸速度的因素。這項(xiàng)研究不僅可以幫助淡化淡水方面取得進(jìn)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(yīng)用。

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

該團(tuán)隊被XSEDE授予超級計算時間，XSEDE是由美國國家科學(xué)基金會資助的極限科學(xué)與工程發(fā)現(xiàn)環(huán)境(XSEDE)。在這項(xiàng)研究中，使用了TACC的XSEDE分配的Stampede2系統(tǒng)進(jìn)行仿真，尤其是Stampede2的Skylake節(jié)點(diǎn)。Haji-Akbari說：“ XSEDE對我們所做的工作非常有用且必不可少。”“這是因?yàn)檎蛲坎蓸臃椒ㄖ械幕拒壽E是相當(dāng)昂貴的原子模擬。我們絕對無法使用耶魯實(shí)驗(yàn)室本地的資源來完成這些研究。”

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(dāng)今功能最強(qiáng)大的超級計算機(jī)也只能在幾百微秒的時間范圍內(nèi)處理數(shù)字運(yùn)算。在研究中，拒絕某些溶質(zhì)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(shù)，該技術(shù)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?yàn)楫?dāng)您考慮驅(qū)動溶質(zhì)或離子傳輸時，處理壓力驅(qū)動的或通過外部電場驅(qū)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?dāng)D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(shí)驗(yàn)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(yīng)該被拒絕的溶質(zhì)仍然可以容納。Haji-Akbari說：“從幾何學(xué)上講，這些溶質(zhì)可以進(jìn)入毛孔并相應(yīng)地通過膜?！薄暗?，似乎阻止他們這樣做的事實(shí)是，例如，當(dāng)您的溶質(zhì)在水中時，該溶質(zhì)與我們稱為其溶劑化殼的物質(zhì)之間通常存在很強(qiáng)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(zhì)結(jié)合。為了使溶質(zhì)進(jìn)入膜中，溶質(zhì)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(dāng)于其進(jìn)入膜的屏障。然而，事實(shí)證明，這張照片雖然準(zhǔn)確，但并不完整。

Haji-Akbari說：“當(dāng)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(jìn)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(jī)制。這種機(jī)械方面就是我們所說的感應(yīng)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(jìn)入納米孔的氯離子。一旦接近然后進(jìn)入納米孔，它將對進(jìn)料中剩余的離子進(jìn)行分類。由于孔中存在氯離子，因此進(jìn)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(dǎo)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(yīng)電荷各向異性?！笨茖W(xué)小組的計算方法基于正向通量采樣，該方法可并行進(jìn)行，因?yàn)橛嬎憬M件之間的相互作用并不強(qiáng)烈。Haji-Akbari說：“高性能計算非常適合使用這些類型的方法。”“我們以前用它來研究晶體成核。這是我們第一次用它來研究離子通過膜的遷移?！?/p>

隨著超級計算機(jī)變得越來越好，它們?yōu)榭茖W(xué)家提供了更現(xiàn)實(shí)的方式來探索無法解釋的工具。Haji-Akbari說：“我們知道，在實(shí)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?！薄斑@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(jìn)行的計算已經(jīng)非常昂貴，因此我們無法負(fù)擔(dān)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?！?/p>

“超級計算機(jī)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(jī)我們就無法進(jìn)行此計算。它們在訪問兩個實(shí)驗(yàn)都無法訪問的標(biāo)尺方面非常有價值，因?yàn)樗鼈內(nèi)狈Ψ直媛?或者是模擬，因?yàn)槟枰罅康挠嬎銠C(jī)節(jié)點(diǎn)和處理器來解決這個問題，” Haji-Akbari總結(jié)道。
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