Le acque della scienza sono fangose ​​in questi giorni, specialmente all'Università della California a San Diego, dove tutto ciò che separa un chimico da un fisico in alcuni casi è il muro a secco di un ufficio. I chimici fanno le domande nei loro esperimenti, e i fisici forniscono le risposte con gli strumenti necessari per svolgere il lavoro. A volte quel lavoro deve essere più veloce e più facile, quindi viene chiamato un esperto di calcolo. Aggiungi uno specialista biologico al mix e hai una ricetta per una scienza all'avanguardia che supera i limiti. E la bellezza del superamento dei limiti nel "laboratorio" del chimico Francesco Paesani inizia con l'elemento più elementare:l'acqua.

"L'acqua è un solvente fondamentale, e la sostanza che è stata storicamente più studiata, “ ha spiegato Paesani. “E' dinamico; si muove costantemente e crea legami che a volte si rompono, simili ai partner su una pista da ballo. Abbiamo avuto successo nel modellarlo."

Ciò significa che Paesani e il suo team di ricercatori, dagli studenti universitari agli studiosi post-dottorato, applicano la chimica computazionale per simulare processi chimici realistici. Nell'acqua dell'oceano, Per esempio, questi processi avvengono tra le molecole d'acqua e una moltitudine di composti organici e biologici. Per modellare le reazioni, Il gruppo di ricerca di Paesani trasforma le realtà chimiche dell'acqua dell'oceano in una matrice modello computerizzata di molecole colorate che danzano intorno allo schermo. La simulazione dà luogo a osservazioni che possono essere sondate, misurati e calcolati per testare come si abbinano alla realtà.

Con i nuovi finanziamenti del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti, il compito del laboratorio virtuale di Paesani è quello di raccogliere dati sulle proprietà dei materiali, Come l'acqua, applicalo al machine learning, ottimizzare il materiale attraverso modifiche basate su simulazioni e quindi sintetizzare un materiale ideale che potrebbe essere utilizzato, Per esempio, per estrarre acqua dall'atmosfera.

"I legami idrogeno dell'acqua sono fondamentali per tutta la vita, " ha osservato Paesani. "L'acqua è l'unico solvente che può rendere i legami giusti. Se potessimo esporre un certo materiale all'aria, potremmo estrarre acqua dall'atmosfera, dove è sempre presente - durante il giorno è allo stato gassoso, di notte si liquefa. Se abbiamo un materiale che si comporta come una spugna per assorbire le piccole tracce di vapore acqueo, possiamo fare progressi per affrontare la scarsità d'acqua sul pianeta".

I ricercatori colmano il divario tra la realtà materiale e le simulazioni computerizzate conducendo esperimenti utilizzando la luce, Per esempio, sondare le interazioni tra le molecole, da piccoli ammassi gassosi a complesse soluzioni acquose. Il risultato di queste interazioni è uno spettro vibrazionale che riflette il modo in cui le molecole d'acqua interagiscono tra loro e con altri componenti della soluzione, che può essere calcolato da simulazioni e visualizzato sullo schermo.

"La maggior parte della chimica avviene alle interfacce, " ha detto Paesani. "I risultati della scienza potrebbero applicarsi all'elettrochimica e all'ambiente affollato di una cellula. Stiamo spingendo i confini della chimica computazionale, porsi la domanda su come riprodurre fedelmente la realtà».

Secondo lo studente laureato in chimica Teri Lambros, la ricerca che conduce con il Gruppo di Ricerca Paesani offre la prospettiva di fare chimica realisticamente al computer.

"Simulare reazioni chimiche realistiche è il Santo Graal della chimica computazionale, "dichiarò Lambros.

L'ampiezza dell'esperienza di ricerca che gli studenti ricevono all'UC San Diego non è persa per lo studioso post-dottorato Dan Moberg.

"Il lavoro che svolgiamo qui è una grande opportunità per la nostra carriera, " ha osservato Moberg.

Paesani pratica un pay-it-forward, approccio interdisciplinare alla scienza, guidando i suoi studenti e coinvolgendo altri scienziati nella ricerca, il tutto con lo scopo di offrire risultati utili a un'intera comunità scientifica.

"L'obiettivo è far progredire la scienza con risultati su cui i teorici possono basarsi, " disse Paesani, aggiungendo quello che spesso racconta ai suoi studenti, "Non è il fuoricampo, ma la Hall of Fame che conta."

Le simulazioni abilitate dal supercomputer aumentano la precisione, Risparmia tempo

Il Gruppo Paesani è tra i più robusti utilizzatori del San Diego Supercomputer Center (SDSC), un'unità di ricerca organizzata dell'UC San Diego. Oltre al proprio cluster di elaborazione ospitato presso SDSC, il gruppo Paesani si avvale delle risorse di supercalcolo di SDSC per eseguire simulazioni di dinamica molecolare in parallelo, velocizzando il loro lavoro e aumentandone l'efficienza.

Sia il supercomputer finanziato dalla National Science Foundation (NSF) noto come Comet, utilizzato dai ricercatori di tutto il mondo, e il Triton Shared Computing Cluster (TSCC), progettato principalmente per i ricercatori dell'UC San Diego, sono di grande importanza per il gruppo Paesani e ricercatori come loro. Dipendono da queste risorse di supercalcolo massicciamente parallele per eseguire simulazioni di dinamica molecolare o altri calcoli ad alta intensità di dati che semplicemente non sarebbero possibili sui tradizionali computer desktop.

Molto del lavoro svolto dal gruppo Paesani, Per esempio, richiede di esplorare la moltitudine di modi in cui le molecole in un sistema di interesse possono riorganizzarsi e riorientarsi per una data temperatura, pressione, volume, ecc. Ciò richiede in genere l'esecuzione di un gran numero di traiettorie per scale temporali lunghe. Generalmente, più lungo e grande è il sistema che modellano, più completamente e completamente hanno ricreato gli stati che sperimenterebbe la sua controparte del mondo reale. L'ambiente altamente parallelizzabile di Comet e i processori multi-core sono quindi adatti per aiutare il loro lavoro.

"Alcuni di questi sistemi, come la cometa, offrono anche nodi basati su GPU, in grado di eseguire lavori massicciamente parallelizzati per programmi progettati per le attività di moltiplicazione di matrici in cui le GPU eccellono, " ha detto Daniel Moberg, ricercatore post-dottorato con il gruppo Paesani. "TSCC è utile per il nostro gruppo poiché abbiamo bisogno di molte migliaia di piccole simulazioni per creare rappresentazioni accurate dell'acqua o di altri sistemi. Ogni singola simulazione non richiede molta parallelizzazione, ma l'esecuzione di centinaia in tandem sui molti core forniti dai supercomputer accelera notevolmente il nostro throughput."

Secondo Moberg, oltre a utilizzare Comet e TSCC, il gruppo ha anche utilizzato Stampede2 presso il Texas Advanced Computing Center, e Bridges al Pittsburgh Supercomputing Center (PSC). Le allocazioni su Comet e su questi sistemi sono fornite tramite l'eXtreme Science and Engineering Discovery Environment (XSEDE) della NSF.