Por muito tempo, nada. Então, de repente, algo. Coisas maravilhosas na natureza podem explodir em cena após longos períodos de monotonia - eventos raros, como o enovelamento de proteínas, reações químicas, ou mesmo a propagação de nuvens. As técnicas de amostragem de caminho são algoritmos de computador que lidam com a monotonia dos dados, concentrando-se na parte do processo em que ocorre a transição.

Os cientistas estão usando supercomputadores alocados por XSEDE para ajudar a entender o evento relativamente raro de sais na água passando por atomicamente finos, membranas nanoporosas. De uma perspectiva prática, a taxa de transporte de íons através de uma membrana precisa ser minimizada. Para atingir esse objetivo, Contudo, é necessário obter uma imagem estatisticamente representativa de eventos de transporte individuais para compreender os fatores que controlam sua taxa. Essa pesquisa pode não apenas ajudar a progredir na dessalinização de água doce; tem aplicações na descontaminação do meio ambiente, melhores produtos farmacêuticos, e mais.

Técnicas avançadas de amostragem de caminho e simulações de dinâmica molecular (MD) capturaram a cinética do transporte de soluto através de membranas nanoporosas, de acordo com um estudo publicado online na revista Cell Matéria , Janeiro de 2020.

"O objetivo era calcular os tempos médios de primeira passagem para solutos, independentemente de sua magnitude, "disse o co-autor do estudo Amir Haji-Akbari, professor assistente de engenharia química e ambiental na Universidade de Yale.

A equipe recebeu tempo de supercomputação da XSEDE, o Extreme Science and Engineering Discovery Environment (XSEDE), financiado pela National Science Foundation. O sistema Stampede2 alocado por XSEDE no TACC foi usado para as simulações neste estudo, em particular os nós Skylake de Stampede2.

"O XSEDE foi extremamente útil e indispensável para o que fizemos, "Haji-Akbari disse." Isso porque as trajetórias subjacentes que fazem parte do método de amostragem de fluxo direto são simulações atomísticas bastante caras. Definitivamente, não poderíamos ter concluído esses estudos usando os recursos que temos localmente no laboratório de Yale. "

Simulações de MD foram usadas para calcular as forças no sistema estudado em nível atômico. O problema com o MD é que mesmo os supercomputadores mais poderosos de hoje só conseguem lidar com processamento de números em escalas de tempo de algumas centenas de microssegundos. As membranas semipermeáveis ​​em estudo que rejeitaram certos solutos ou íons tinham tempos médios de primeira passagem que poderiam ser muito mais longos do que os tempos acessíveis ao MD.

"Usamos uma técnica chamada amostragem de fluxo direto, que pode ser usado igualmente com MD em equilíbrio e fora de equilíbrio. O aspecto de não equilíbrio é particularmente importante para nós porque, quando você está pensando em soluto dirigido ou transporte de íons, você está lidando com um processo de desequilíbrio que é impulsionado por pressão ou por campos elétricos externos, "Haji-Akbari disse.

Pode-se ter uma ideia para isso imaginando a água salgada sendo empurrada por pistões contra uma membrana que apenas espreme a água, deixando para trás os íons sódio e cloreto.

Haji-Akbari e colegas usaram esta configuração experimental com uma membrana especial com um nanopore através de três camadas de grafeno. Surpreendentemente, mesmo em pequena escala, solutos que deveriam ser rejeitados ainda podem se encaixar.

"Geometricamente, esses solutos podem entrar nos poros e passar pela membrana de acordo, "Haji-Akbari disse." No entanto, o que parece impedi-los de fazer isso é o fato de que, quando você tem um soluto que está na água, por exemplo, geralmente há uma forte associação entre esse soluto e o que chamamos de concha de solvatação, ou no caso de soluções aquosas, a concha de hidratação. "

Neste exemplo, moléculas de solvente podem se agrupar, ligação ao soluto central. Para que o soluto entre na membrana, tem que perder algumas dessas moléculas grossas, e perder as moléculas custa energia, o que equivale a uma barreira para sua entrada na membrana. Contudo, Acontece que esta foto, embora preciso, não está completo.

"Quando você tem um íon que passa por uma membrana nanoporosa, há outro fator que o puxa de volta e o impede de entrar e atravessar o poro, "Haji-Akbari disse." Fomos capazes de identificar um muito interessante, mecanismo até então desconhecido para o transporte de íons através de nanoporos. Esse aspecto mecanicista é o que chamamos de anisotropia de carga induzida. "

Para lhe dar uma perspectiva simples do que é, imagine um íon cloreto que entra em um nanoporo. Uma vez que se aproxima e entra no nanopore, ele classifica os íons restantes que estão na alimentação. Por causa da presença desse cloreto dentro do poro, será mais provável que os íons de sódio na alimentação estejam mais próximos da boca dos poros do que os íons de cloreto.

"Esse é o fator adicional que puxa o íon líder, "Haji-Akbari explicou." Você basicamente tem dois fatores, desidratação parcial, que era conhecido anteriormente; mas também esta anisotropia de carga induzida que, pelo que sabemos, é a primeira vez que isso foi identificado. "

A equipe de ciência baseou seu método computacional na amostragem de fluxo progressivo, que é paralelizável porque os componentes computacionais não interagem tão fortemente uns com os outros. "A computação de alto desempenho é muito adequada para usar esses tipos de métodos, "Haji-Akbari disse." Nós já o usamos para estudar a nucleação de cristais. Esta é a primeira vez que o usamos para estudar o transporte de íons através das membranas. "

Conforme os supercomputadores ficam cada vez melhores, eles oferecem aos cientistas ferramentas para explorar o inexplicável de uma forma mais realista.

"Sabemos que em sistemas reais, a nuvem eletrônica de qualquer molécula ou íon será afetada por seu ambiente, "Haji-Akbari disse." Esses tipos de efeitos são geralmente contabilizados em campos de força polarizáveis, que são mais precisos, mas mais caro para simular. Porque o cálculo que fizemos já era muito caro, não tínhamos recursos para usar esses campos de força polarizáveis. Isso é algo que gostaríamos de fazer em algum momento, especialmente se tivermos os recursos para isso. "

"Supercomputadores são extremamente úteis para resolver questões que não podemos resolver com recursos de computação regulares. Por exemplo, não poderíamos ter feito esse cálculo sem um supercomputador. Eles são extremamente valiosos para acessar escalas que não são acessíveis a nenhum dos experimentos, por causa de sua falta de resolução; ou simulações, porque você precisa de um grande número de nós de computador e processadores para poder resolver isso, "Haji-Akbari concluiu.