Las aguas de la ciencia están embarradas en estos días, especialmente en la Universidad de California en San Diego, donde todo lo que separa a un químico de un físico en algunos casos es un panel de yeso de oficina. Los químicos hacen las preguntas en sus experimentos, y los físicos proporcionan las respuestas con las herramientas necesarias para hacer el trabajo. A veces, ese trabajo debe ser más rápido y sencillo, por lo que se llama a un experto en computación. Agregue un especialista en biología a la mezcla y obtendrá una receta para la ciencia de vanguardia que rompe los límites. Y la belleza de romper límites en el "laboratorio" del químico Francesco Paesani comienza con el elemento más básico:el agua.

"El agua es un solvente clave, y la sustancia que más se ha estudiado históricamente, "explicó Paesani." Es dinámico; se mueve constantemente y crea vínculos que a veces se rompen, similares a las parejas en una pista de baile. Lo hemos modelado con éxito ".

Lo que eso significa es que Paesani y su equipo de investigadores, desde estudiantes de pregrado hasta postdoctorales, aplican la química computacional para simular procesos químicos realistas. En el agua del océano por ejemplo, esos procesos ocurren entre las moléculas de agua y una multitud de compuestos orgánicos y biológicos. Para modelar las reacciones, El grupo de investigación de Paesani transforma las realidades químicas del agua del océano en una matriz modelo computarizada de moléculas de colores que bailan alrededor de la pantalla. La simulación da lugar a observaciones que pueden ser probadas, medidos y calculados para probar cómo coinciden con los reales.

Con nuevos fondos del Departamento de Energía de EE. UU., el trabajo del laboratorio virtual de Paesani es recopilar datos sobre las propiedades de los materiales, como el agua, aplicarlo al aprendizaje automático, optimizar el material a través de modificaciones basadas en simulaciones y luego sintetizar un material ideal que podría usarse, por ejemplo, para extraer agua de la atmósfera.

"Los enlaces de hidrógeno del agua son fundamentales para toda la vida, "señaló Paesani." El agua es el único solvente que puede hacer que las uniones sean las correctas. Si pudiéramos exponer cierto material al aire, podríamos extraer agua de la atmósfera, donde siempre está presente:durante el día está en estado gaseoso, por la noche se licua. Si tenemos un material que actúa como una esponja para absorber las pequeñas trazas de vapor de agua, podemos avanzar para abordar la escasez de agua en el planeta ".

Los investigadores acortan la brecha entre la realidad material y las simulaciones computarizadas mediante la realización de experimentos con luz, por ejemplo, para sondear las interacciones entre moléculas, desde pequeños racimos gaseosos hasta soluciones acuosas complejas. El resultado de estas interacciones es un espectro vibratorio que refleja cómo las moléculas de agua interactúan entre sí y con otros componentes de la solución. que puede calcularse a partir de simulaciones y mostrarse en pantalla.

"La mayor parte de la química ocurre en las interfaces, ", dijo Paesani." Los resultados de la ciencia podrían aplicarse potencialmente a la electroquímica y al entorno abarrotado de una célula. Estamos empujando los límites de la química computacional, haciendo la pregunta sobre cómo reproducir la realidad de manera fiel ".

Según la estudiante de posgrado en química Teri Lambros, la investigación que lleva a cabo con el Grupo de Investigación Paesani ofrece la posibilidad de hacer química de manera realista en la computadora.

"Simular reacciones químicas realistas es el Santo Grial de la química computacional, "declaró Lambros.

La amplitud de la experiencia de investigación que los estudiantes reciben en UC San Diego no se pierde en el académico postdoctoral Dan Moberg.

"El trabajo que hacemos aquí es una gran oportunidad para nuestras carreras, "señaló Moberg.

Paesani practica un pay-it-forward, enfoque interdisciplinario de la ciencia, asesorar a sus estudiantes e incluir a otros científicos en la investigación, todo con el propósito de ofrecer hallazgos que sean útiles para toda la comunidad científica.

"El objetivo es hacer avanzar la ciencia con resultados en los que los teóricos puedan basarse, "dijo Paesani, agregando lo que a menudo les dice a sus estudiantes, "No es el jonrón, pero el Salón de la Fama que cuenta ".

Las simulaciones habilitadas por supercomputadora aumentan la precisión, Ahorrar tiempo

El Grupo Paesani se encuentra entre los usuarios más sólidos del San Diego Supercomputer Center (SDSC), una Unidad de Investigación Organizada de UC San Diego. Además de su propio clúster informático alojado en SDSC, el grupo Paesani hace uso de los recursos de supercomputación de SDSC para ejecutar simulaciones de dinámica molecular en paralelo, acelerando su trabajo y aumentando su eficiencia.

Tanto la supercomputadora financiada por la National Science Foundation (NSF) como Comet, utilizado por investigadores de todo el mundo, y el Triton Shared Computing Cluster (TSCC), diseñado principalmente para investigadores de UC San Diego, son de gran importancia para el grupo Paesani e investigadores como ellos. Dependen de estos recursos de supercomputación masivamente paralelos para ejecutar simulaciones de dinámica molecular u otros cálculos de datos intensivos que simplemente no serían posibles en las computadoras de escritorio tradicionales.

Mucho del trabajo que hace el grupo Paesani, por ejemplo, requiere explorar la multitud de formas en que las moléculas en un sistema de interés pueden reorganizarse y reorientarse para una temperatura determinada, presión, volumen, etc. Esto normalmente requiere ejecutar un gran número de trayectorias durante escalas de tiempo prolongadas. En general, cuanto más largo y grande sea el sistema que modelan, cuanto más a fondo y por completo hayan recreado los estados que experimentaría su contraparte del mundo real. El entorno altamente paralelizable de Comet y los procesadores de muchos núcleos son, por lo tanto, muy adecuados para ayudar en su trabajo.

"Algunos de estos sistemas, como el cometa, también ofrecen nodos con GPU, capaz de trabajos masivamente paralelizados para programas que están diseñados para las tareas de multiplicación de matrices en las que sobresalen las GPU, "dijo Daniel Moberg, investigador postdoctoral del grupo Paesani. "TSCC es útil para nuestro grupo, ya que necesitamos muchos miles de pequeñas simulaciones para crear representaciones precisas del agua u otros sistemas. Cada simulación individual no requiere mucha paralelización, pero ejecutar cientos en tándem en los muchos núcleos proporcionó supercomputadoras que acelera enormemente nuestro rendimiento ".

Según Moberg, además de utilizar Comet y TSCC, el grupo también ha hecho uso de Stampede2 en el Texas Advanced Computing Center, y puentes en el Pittsburgh Supercomputing Center (PSC). Las asignaciones en Comet y esos sistemas se proporcionan a través del eXtreme Science and Engineering Discovery Environment (XSEDE) de NSF.