Per molto tempo, niente. Poi all'improvviso, qualcosa. Le cose meravigliose in natura possono irrompere sulla scena dopo lunghi periodi di ottusità:eventi rari come il ripiegamento delle proteine, reazioni chimiche, o anche la semina delle nuvole. Le tecniche di campionamento del percorso sono algoritmi informatici che si occupano dell'ottusità dei dati concentrandosi sulla parte del processo in cui si verifica la transizione.

Gli scienziati stanno utilizzando i supercomputer assegnati da XSEDE per aiutare a comprendere l'evento relativamente raro dei sali nell'acqua che passano attraverso atomicamente sottili, membrane nanoporose. Dal punto di vista pratico, la velocità di trasporto di ioni attraverso una membrana deve essere ridotta al minimo. Per raggiungere questo obiettivo, però, è necessario ottenere un quadro statisticamente rappresentativo dei singoli eventi di trasporto per comprendere i fattori che ne controllano la velocità. Questa ricerca potrebbe non solo aiutare a fare progressi nella desalinizzazione per l'acqua dolce; ha applicazioni nella decontaminazione dell'ambiente, farmaci migliori, e altro ancora.

Tecniche avanzate di campionamento del percorso e simulazioni di dinamica molecolare (MD) hanno catturato la cinetica del trasporto di soluti attraverso membrane nanoporose, secondo uno studio pubblicato online sulla rivista Cell Questione , gennaio 2020.

"L'obiettivo era calcolare i tempi medi di primo passaggio per i soluti indipendentemente dalla loro grandezza, " ha detto il coautore dello studio Amir Haji-Akbari, un assistente professore di ingegneria chimica e ambientale alla Yale University.

Il team è stato premiato con il tempo di supercalcolo da XSEDE, l'Extreme Science and Engineering Discovery Environment (XSEDE) finanziato dalla National Science Foundation. Il sistema Stampede2 allocato da XSEDE presso TACC è stato utilizzato per le simulazioni in questo studio, in particolare i nodi Skylake di Stampede2.

"XSEDE è stato estremamente utile e indispensabile per quello che abbiamo fatto, " Haji-Akbari ha detto. "Questo perché le traiettorie sottostanti che fanno parte del metodo di campionamento del flusso in avanti sono simulazioni atomistiche piuttosto costose. Sicuramente non avremmo potuto completare questi studi utilizzando le risorse che abbiamo localmente presso il laboratorio di Yale".

Le simulazioni MD sono state utilizzate per calcolare le forze nel sistema studiato a livello atomico. Il problema con MD è che anche i supercomputer più potenti di oggi possono gestire solo l'elaborazione numerica su scale temporali di poche centinaia di microsecondi. Le membrane semipermeabili in studio che respingevano determinati soluti o ioni avevano tempi di primo passaggio medi che potevano essere molto più lunghi dei tempi accessibili alla MD.

"Abbiamo usato una tecnica chiamata campionamento del flusso in avanti, che può essere ugualmente utilizzato con equilibrio e non equilibrio MD. L'aspetto del disequilibrio è per noi particolarmente importante perché, quando pensi al soluto guidato o al trasporto di ioni, hai a che fare con un processo di non equilibrio che è guidato dalla pressione o è guidato da campi elettrici esterni, "Haji-Akbari ha detto.

Ci si può avere un'idea immaginando che l'acqua salata venga spinta da pistoni contro una pelle di membrana che spreme solo l'acqua, lasciando indietro gli ioni sodio e cloruro.

Haji-Akbari e colleghi hanno utilizzato questa configurazione sperimentale con una membrana speciale con un nanoporo attraverso tre strati di grafene. Sorprendentemente, anche su piccola scala, i soluti che dovrebbero essere respinti possono ancora andare bene.

"Geometricamente, questi soluti possono entrare nei pori e passare di conseguenza la membrana, "Haji-Akbari ha detto. "Tuttavia, ciò che sembra impedirgli di farlo è il fatto che, quando hai un soluto che è nell'acqua, Per esempio, di solito c'è una forte associazione tra quel soluto e quello che chiamiamo il suo guscio di solvatazione, o nel caso di soluzioni acquose, il guscio di idratazione."

In questo esempio, le molecole di solvente possono aggregarsi, legandosi al soluto centrale. Affinché il soluto possa entrare nella membrana, deve perdere alcune di queste grosse molecole, e perdere le molecole costa energia, che costituisce una barriera per il loro ingresso nella membrana. Però, si scopre che questa immagine, sebbene accurato, non è completo.

"Quando hai uno ione che passa attraverso una membrana nanoporosa, c'è un altro fattore che lo tira indietro e gli impedisce di entrare e attraversare il poro, " Haji-Akbari ha detto. "Siamo stati in grado di identificare un molto interessante, meccanismo precedentemente sconosciuto per il trasporto di ioni attraverso i nanopori. Questo aspetto meccanicistico è ciò che chiamiamo anisotropia di carica indotta".

Per darti una semplice prospettiva di cosa sia, immagina uno ione cloruro che entra in un nanoporo. Una volta che si avvicina e poi entra nel nanoporo, ordina gli ioni rimanenti che si trovano nel feed. A causa della presenza di quel cloruro all'interno del poro, sarà più probabile che gli ioni sodio nel mangime siano più vicini alla bocca dei pori rispetto agli ioni cloruro.

"Questo è il fattore aggiuntivo che ritira lo ione principale, " Haji-Akbari ha spiegato. " Fondamentalmente hai due fattori, disidratazione parziale, che era precedentemente noto; ma anche questa anisotropia di carica indotta che, per quanto ne sappiamo, è la prima volta che viene identificata."

Il team scientifico ha basato il proprio metodo di calcolo sul campionamento del flusso diretto, che è parallelizzabile perché le componenti computazionali non interagiscono così fortemente tra loro. "Il calcolo ad alte prestazioni è molto adatto per l'utilizzo di questi tipi di metodi, " Haji-Akbari ha detto. "L'abbiamo usato in precedenza per studiare la nucleazione dei cristalli. Questa è la prima volta che lo usiamo per studiare il trasporto di ioni attraverso le membrane".

Man mano che i supercomputer migliorano sempre di più, offrono agli scienziati strumenti per esplorare l'inspiegabile in un modo più realistico.

"Sappiamo che nei sistemi reali, la nuvola elettronica di qualsiasi molecola o ione sarà influenzata dal suo ambiente, "Haji-Akbari ha detto. "Quei tipi di effetti sono solitamente rappresentati in campi di forza polarizzabili, che sono più precisi, ma più costoso da simulare. Poiché il calcolo che abbiamo condotto era già molto costoso, non potevamo permetterci di usare quei campi di forza polarizzabili. È qualcosa che vorremmo fare ad un certo punto, soprattutto se abbiamo le risorse per farlo".

"I supercomputer sono estremamente utili per affrontare questioni che non possiamo affrontare con le normali risorse di calcolo. Ad esempio, non avremmo potuto fare questo calcolo senza un supercomputer. Sono estremamente utili per accedere a scale che non sono accessibili a nessuno dei due esperimenti, a causa della loro mancanza di risoluzione; o simulazioni, perché hai bisogno di un gran numero di nodi di computer e processori per essere in grado di affrontarlo, " ha concluso Haji-Akbari.