Por mucho tiempo, nada. Entonces, de repente, alguna cosa. Cosas maravillosas de la naturaleza pueden aparecer en escena después de largos períodos de aburrimiento:eventos raros como el plegamiento de proteínas, reacciones químicas, o incluso la siembra de nubes. Las técnicas de muestreo de ruta son algoritmos informáticos que se ocupan de la opacidad de los datos centrándose en la parte del proceso en la que se produce la transición.

Los científicos están utilizando supercomputadoras asignadas a XSEDE para ayudar a comprender el evento relativamente raro de que las sales en el agua pasen a través de membranas nanoporosas. Desde una perspectiva práctica, Es necesario minimizar la velocidad de transporte de iones a través de una membrana. Para lograr este objetivo, sin embargo, es necesario obtener una imagen estadísticamente representativa de los eventos de transporte individuales para comprender los factores que controlan su tasa. Esta investigación no solo podría ayudar a avanzar en la desalinización de agua dulce; tiene aplicaciones en la descontaminación del medio ambiente, mejores productos farmacéuticos, y más.

Las técnicas avanzadas de muestreo de ruta y las simulaciones de dinámica molecular (MD) capturaron la cinética del transporte de solutos a través de membranas nanoporosas, según un estudio publicado en línea en la revista Cell Importar , Enero de 2020.

"El objetivo era calcular los tiempos medios del primer paso de los solutos independientemente de su magnitud, "dijo el coautor del estudio, Amir Haji-Akbari, profesor asistente de ingeniería química y ambiental en la Universidad de Yale.

XSEDE otorgó al equipo tiempo de supercomputación, el Entorno de descubrimiento de ciencias e ingeniería extremas (XSEDE) financiado por la Fundación Nacional de Ciencias. El sistema Stampede2 asignado por XSEDE en TACC se utilizó para las simulaciones en este estudio, en particular los nodos Skylake de Stampede2.

"XSEDE fue extremadamente útil e indispensable para lo que hicimos, "Dijo Haji-Akbari." Eso es porque las trayectorias subyacentes que son parte del método de muestreo de flujo directo son simulaciones atomísticas bastante caras. Definitivamente no podríamos haber terminado estos estudios usando los recursos que tenemos localmente en el laboratorio de Yale ".

Se utilizaron simulaciones MD para calcular las fuerzas en el sistema estudiado a nivel atómico. El problema con MD es que incluso las supercomputadoras más potentes de la actualidad solo pueden manejar el procesamiento de números en escalas de tiempo de unos pocos cientos de microsegundos. Las membranas semipermeables en estudio que rechazaron ciertos solutos o iones tenían tiempos medios de primer paso que podrían ser mucho más largos que los tiempos accesibles para MD.

"Utilizamos una técnica llamada muestreo de flujo directo, que se puede utilizar igualmente con MD de equilibrio y no equilibrio. El aspecto de no equilibrio es particularmente importante para nosotros porque, cuando piensa en el transporte impulsado de solutos o iones, está tratando con un proceso de no equilibrio que está impulsado por presión o es impulsado a través de campos eléctricos externos, "Dijo Haji-Akbari.

Uno puede hacerse una idea de esto imaginando que el agua salada es empujada por pistones contra una piel de membrana que solo exprime el agua. dejando atrás los iones de sodio y cloruro.

Haji-Akbari y sus colegas utilizaron esta configuración experimental con una membrana especial con un nanoporo a través de tres capas de grafeno. Asombrosamente, incluso a esa pequeña escala, Los solutos que se supone que deben rechazarse aún pueden caber.

"Geométricamente, estos solutos pueden entrar en los poros y pasar la membrana en consecuencia, "Dijo Haji-Akbari." Sin embargo, lo que parece impedirles hacer eso es el hecho de que, cuando tienes un soluto que está en agua, por ejemplo, Por lo general, existe una fuerte asociación entre ese soluto y lo que llamamos su capa de solvatación, o en el caso de soluciones acuosas, la capa de hidratación ".

En este ejemplo, las moléculas de disolvente pueden agruparse, unión al soluto central. Para que el soluto entre en la membrana, tiene que perder algunas de estas moléculas gruesas, y perder las moléculas cuesta energía, lo que equivale a una barrera para su entrada en la membrana. Sin embargo, resulta que esta foto, aunque precisa, no está completo.

"Cuando tienes un ion que atraviesa una membrana nanoporosa, hay otro factor que lo retrae y evita que entre y atraviese el poro, "Dijo Haji-Akbari." Pudimos identificar una muy interesante, mecanismo previamente desconocido para el transporte de iones a través de nanoporos. Ese aspecto mecanicista es lo que llamamos anisotropía de carga inducida ".

Para darte una perspectiva simple de lo que es, imagina un ion cloruro que entra en un nanoporo. Una vez que se acerca y luego entra en el nanoporo, clasifica los iones restantes que se encuentran en la alimentación. Debido a la presencia de ese cloruro dentro del poro, será más probable que los iones de sodio en el alimento estén más cerca de la boca de los poros que los iones de cloruro.

"Ese es el factor adicional que hace retroceder al ión principal, "Explicó Haji-Akbari." Básicamente tienes dos factores, deshidratación parcial, que se conocía previamente; pero también esta anisotropía de carga inducida que, hasta donde sabemos, es la primera vez que se identifica ".

El equipo científico basó su método computacional en el muestreo de flujo directo, que es paralelizable porque los componentes computacionales no interactúan tan fuertemente entre sí. "La informática de alto rendimiento es muy adecuada para utilizar este tipo de métodos, "Dijo Haji-Akbari." Lo hemos usado anteriormente para estudiar la nucleación de cristales. Esta es la primera vez que lo usamos para estudiar el transporte de iones a través de membranas ".

A medida que las supercomputadoras mejoran cada vez más, ofrecen a los científicos herramientas para explorar lo inexplicable de una manera más realista.

"Sabemos que en sistemas reales, la nube electrónica de cualquier molécula o ion se verá afectada por su entorno, "Dijo Haji-Akbari." Ese tipo de efectos generalmente se explican en campos de fuerza polarizables, que son más precisos, pero más caro de simular. Debido a que el cálculo que realizamos ya era muy caro, no nos permitimos usar esos campos de fuerza polarizables. Eso es algo que nos gustaría hacer en algún momento, especialmente si tenemos los recursos para hacerlo ".

"Las supercomputadoras son extremadamente útiles para abordar cuestiones que no podemos abordar con los recursos informáticos habituales. Por ejemplo, no podríamos haber hecho este cálculo sin una supercomputadora. Son extremadamente valiosos para acceder a escalas que no son accesibles para ninguno de los experimentos, por su falta de resolución; o simulaciones, porque necesita una gran cantidad de nodos de computadora y procesadores para poder abordar eso, "Concluyó Haji-Akbari.