As águas da ciência estão turvas atualmente - especialmente na Universidade da Califórnia em San Diego, onde tudo o que separa um químico de um físico em alguns casos é a parede de gesso do escritório. Os químicos fazem as perguntas em seus experimentos, e os físicos fornecem as respostas com as ferramentas necessárias para fazer o trabalho. Às vezes, esse trabalho precisa ser mais rápido e fácil, então, um especialista em computação é chamado. Adicione um especialista em biologia à mistura e você terá uma receita para a ciência de ponta que ultrapassa os limites. E a beleza da quebra de limites no "laboratório" do químico Francesco Paesani começa com o mais básico dos elementos - a água.

"A água é um solvente chave, e a substância que tem sido estudada mais historicamente, "explicou Paesani." É dinâmico; ele se move constantemente e cria laços que às vezes se separam - semelhantes a parceiros em uma pista de dança. Fomos bem-sucedidos em modelá-lo. "

O que isso significa é que Paesani e sua equipe de pesquisadores - de estudantes de graduação a pós-doutorado - aplicam a química computacional para simular processos químicos realistas. Na água do oceano, por exemplo, esses processos ocorrem entre as moléculas de água e uma infinidade de compostos orgânicos e biológicos. Para modelar as reações, O grupo de pesquisa de Paesani transforma as realidades químicas da água do oceano em um modelo de matriz computadorizado de moléculas coloridas que dançam pela tela. A simulação dá origem a observações que podem ser sondadas, medidos e calculados para testar como eles combinam com a coisa real.

Com novo financiamento do Departamento de Energia dos EUA, o trabalho do laboratório virtual de Paesani é coletar dados sobre as propriedades dos materiais, como água, aplique-o ao aprendizado de máquina, otimizar o material por meio de modificações baseadas em simulações e, em seguida, sintetizar um material ideal que poderia ser usado, por exemplo, para extrair água da atmosfera.

"As ligações de hidrogênio da água são críticas para toda a vida, "observou Paesani." A água é o único solvente que pode fazer as ligações perfeitas. Se pudéssemos expor um determinado material ao ar, poderíamos extrair água da atmosfera, onde está sempre presente - durante o dia está em estado gasoso, à noite, ele se liquefaz. Se tivermos um material que atua como uma esponja para absorver os pequenos vestígios de vapor d'água, podemos fazer progressos no sentido de abordar a escassez de água no planeta. "

Os pesquisadores preenchem a lacuna entre a realidade material e as simulações computadorizadas conduzindo experimentos usando luz, por exemplo, para sondar as interações entre as moléculas, de pequenos aglomerados gasosos a soluções aquosas complexas. O resultado dessas interações é um espectro vibracional que reflete como as moléculas de água interagem umas com as outras e com outros componentes da solução, que podem ser calculados a partir de simulações e exibidos na tela.

"A maior parte da química acontece nas interfaces, "disse Paesani." Os resultados da ciência podem potencialmente se aplicar à eletroquímica e ao ambiente lotado de uma célula. Estamos ultrapassando os limites da química computacional, fazendo a pergunta sobre como reproduzir a realidade de uma forma fiel. "

Segundo o estudante de graduação em química Teri Lambros, as pesquisas que realiza com o Paesani Research Group oferecem a perspectiva de fazer química de forma realista no computador.

"Simular reações químicas realistas é o Santo Graal da química computacional, "afirmou Lambros.

A amplitude da experiência de pesquisa que os alunos recebem na UC San Diego não é perdida pelo bolsista de pós-doutorado Dan Moberg.

“O trabalho que fazemos aqui é uma grande oportunidade para nossas carreiras, "observou Moberg.

Paesani pratica um pagamento antecipado, abordagem interdisciplinar da ciência, orientar seus alunos e incluir outros cientistas na pesquisa - tudo com o objetivo de oferecer descobertas que sejam úteis para toda uma comunidade científica.

"O objetivo é avançar a ciência com resultados que os teóricos possam construir, "disse Paesani, adicionando o que ele costuma dizer aos alunos, "Não é o home run, mas o Hall da Fama que conta. "

Simulações habilitadas por supercomputador aumentam a precisão, Economizar tempo

O Grupo Paesani está entre os usuários mais robustos do San Diego Supercomputer Center (SDSC), uma Unidade de Pesquisa Organizada da UC San Diego. Além de seu próprio cluster de computação alojado no SDSC, o grupo Paesani faz uso dos recursos de supercomputação do SDSC para executar simulações de dinâmica molecular em paralelo, agilizando seu trabalho e aumentando sua eficiência.

Supercomputador financiado pela National Science Foundation (NSF), conhecido como Comet, usado por pesquisadores em todo o mundo, e o Triton Shared Computing Cluster (TSCC), projetado principalmente para pesquisadores da UC San Diego, são de grande importância para o grupo Paesani e pesquisadores como eles. Eles dependem desses recursos de supercomputação maciçamente paralelos para executar simulações de dinâmica molecular ou outros cálculos intensivos de dados que simplesmente não seriam possíveis em computadores de mesa tradicionais.

Muito do trabalho que o grupo Paesani faz, por exemplo, requer a exploração das inúmeras maneiras pelas quais as moléculas em um sistema de interesse podem se reorganizar e reorientar para uma determinada temperatura, pressão, volume, etc. Isso normalmente requer a execução de um grande número de trajetórias em escalas de tempo longas. Em geral, quanto mais longo e maior o sistema que modelam, mais completa e completamente eles recriaram os estados que sua contraparte no mundo real experimentaria. O ambiente altamente paralelizável do Comet e os processadores de vários núcleos são, portanto, adequados para auxiliar seu trabalho.

"Alguns desses sistemas, como Comet, também oferecem nós com GPU, capaz de trabalhos massivamente paralelizados para programas que são projetados para as tarefas de multiplicação de matriz em que as GPUs se destacam, "disse Daniel Moberg, pesquisadora de pós-doutorado com o grupo Paesani. "O TSCC é útil para o nosso grupo, pois exigimos muitos milhares de pequenas simulações para criar representações precisas de água ou outros sistemas. Cada simulação individual não requer muita paralelização, mas rodar centenas em tandem nos muitos núcleos fornecidos com supercomputadores acelera muito nosso rendimento. "

De acordo com Moberg, além de usar Comet e TSCC, o grupo também fez uso do Stampede2 no Texas Advanced Computing Center, e Bridges no Pittsburgh Supercomputing Center (PSC). As alocações no Comet e nesses sistemas são fornecidas por meio do eXtreme Science and Engineering Discovery Environment (XSEDE) da NSF.