Les eaux de la science sont boueuses de nos jours, en particulier à l'Université de Californie à San Diego, où tout ce qui sépare un chimiste d'un physicien dans certains cas, ce sont les cloisons sèches des bureaux. Les chimistes posent les questions dans leurs expériences, et les physiciens fournissent les réponses avec les outils nécessaires pour faire le travail. Parfois, ce travail doit être plus rapide et plus facile, donc un expert en informatique est appelé. Ajoutez un spécialiste en biologie au mélange et vous avez une recette pour une science de pointe qui dépasse les limites. Et la beauté de la rupture dans le "laboratoire" du chimiste Francesco Paesani commence par l'élément le plus élémentaire :l'eau.

"L'eau est un solvant clé, et la substance qui a été le plus étudiée historiquement, " a expliqué Paesani. " C'est dynamique; il bouge constamment et crée des liens qui parfois se brisent, comme des partenaires sur une piste de danse. Nous avons réussi à le modéliser."

Cela signifie que Paesani et son équipe de chercheurs, du premier cycle au postdoctoral, appliquent la chimie computationnelle pour simuler des processus chimiques réalistes. Dans l'eau de mer, par exemple, ces processus se produisent entre les molécules d'eau et une multitude de composés organiques et biologiques. Pour modéliser les réactions, Le groupe de recherche de Paesani transforme les réalités chimiques de l'eau océanique en une matrice modèle informatisée de molécules colorées qui dansent autour de l'écran. La simulation donne lieu à des observations qui peuvent être sondées, mesurés et calculés pour tester leur correspondance avec la réalité.

Avec un nouveau financement du département américain de l'Énergie, le travail du laboratoire virtuel de Paesani est de collecter des données sur les propriétés des matériaux, comme l'eau, l'appliquer à l'apprentissage automatique, optimiser le matériau par des modifications basées sur des simulations puis synthétiser un matériau idéal pouvant être utilisé, par exemple, pour extraire l'eau de l'atmosphère.

"Les liaisons hydrogène de l'eau sont essentielles à toute vie, " a noté Paesani. " L'eau est le seul solvant qui peut faire les liaisons juste. Si nous pouvions exposer un certain matériau à l'air, nous pourrions extraire de l'eau de l'atmosphère, où il est toujours présent - pendant la journée, il est à l'état gazeux, la nuit, il se liquéfie. Si nous avons un matériau qui agit comme une éponge pour absorber les petites traces de vapeur d'eau, nous pouvons progresser dans la lutte contre la pénurie d'eau sur la planète. »

Les chercheurs comblent le fossé entre la réalité matérielle et les simulations informatisées en menant des expériences utilisant la lumière, par exemple, pour sonder les interactions entre molécules, des petits amas gazeux aux solutions aqueuses complexes. Le résultat de ces interactions est un spectre vibratoire reflétant la façon dont les molécules d'eau interagissent les unes avec les autres et avec d'autres composants de la solution, qui peut être calculé à partir de simulations et affiché à l'écran.

"La plupart des produits chimiques se produisent aux interfaces, " a déclaré Paesani. " Les résultats de la science pourraient potentiellement s'appliquer à l'électrochimie et à l'environnement encombré d'une cellule. Nous repoussons les limites de la chimie computationnelle, poser la question de savoir comment reproduire fidèlement la réalité."

Selon l'étudiante diplômée en chimie Teri Lambros, les recherches qu'il mène avec le Paesani Research Group offrent la perspective de faire de la chimie de manière réaliste sur ordinateur.

"Simuler des réactions chimiques réalistes est le Saint Graal de la chimie computationnelle, " a déclaré Lambros.

L'étendue de l'expérience de recherche que les étudiants reçoivent à l'UC San Diego n'est pas perdue pour le chercheur postdoctoral Dan Moberg.

"Le travail que nous faisons ici est une grande opportunité pour nos carrières, " a noté Moberg.

Paesani pratique un pay-it-forward, approche interdisciplinaire de la science, encadrer ses étudiants et inclure d'autres scientifiques dans la recherche, le tout dans le but d'offrir des résultats utiles à toute une communauté scientifique.

"L'objectif est de faire avancer la science avec des résultats sur lesquels les théoriciens peuvent s'appuyer, " dit Paesani, ajoutant ce qu'il dit souvent à ses élèves, "Ce n'est pas le coup de circuit, mais le Hall of Fame qui compte."

Les simulations activées par superordinateur augmentent la précision, Gagner du temps

Le groupe Paesani est parmi les utilisateurs les plus robustes du San Diego Supercomputer Center (SDSC), une unité de recherche organisée de l'UC San Diego. En plus de leur propre cluster de calcul hébergé au SDSC, le groupe Paesani utilise les ressources de calcul intensif du SDSC pour exécuter en parallèle des simulations de dynamique moléculaire, accélérer leur travail et accroître leur efficacité.

Le supercalculateur financé par la National Science Foundation (NSF) connu sous le nom de Comet, utilisé par les chercheurs du monde entier, et le cluster de calcul partagé Triton (TSCC), conçu principalement pour les chercheurs de l'UC San Diego, sont d'une grande importance pour le groupe Paesani et les chercheurs comme eux. Ils dépendent de ces ressources de supercalcul massivement parallèles pour exécuter des simulations de dynamique moléculaire ou d'autres calculs gourmands en données qui ne seraient tout simplement pas possibles sur des ordinateurs de bureau traditionnels.

Une grande partie du travail du groupe Paesani, par exemple, nécessite d'explorer la multitude de façons dont les molécules d'un système d'intérêt peuvent se réorganiser et se réorienter pour une température donnée, pression, le volume, etc. Cela nécessite généralement l'exécution d'un grand nombre de trajectoires sur de longues échelles de temps. En général, plus le système qu'ils modélisent est long et grand, plus ils ont recréé de manière approfondie et complète les états que son homologue du monde réel connaîtrait. L'environnement hautement parallélisable et les processeurs multicœurs de Comet sont donc bien adaptés pour faciliter leur travail.

« Certains de ces systèmes, comme la comète, offrent également des nœuds alimentés par GPU, capable de tâches massivement parallélisées pour des programmes conçus pour les tâches de multiplication matricielle dans lesquelles les GPU excellent, " a déclaré Daniel Moberg, chercheur postdoctoral avec le groupe Paesani. "Le TSCC est utile pour notre groupe car nous avons besoin de plusieurs milliers de petites simulations pour créer des représentations précises de l'eau ou d'autres systèmes. Chaque simulation individuelle ne nécessite pas beaucoup de parallélisation, mais exécuter des centaines en tandem sur les nombreux cœurs fournis par les superordinateurs accélère considérablement notre débit. »

Selon Moberg, en plus d'utiliser Comet et TSCC, le groupe a également utilisé Stampede2 au Texas Advanced Computing Center, et des ponts au Pittsburgh Supercomputing Center (PSC). Les allocations sur Comet et ces systèmes sont fournies via eXtreme Science and Engineering Discovery Environment (XSEDE) de la NSF.