Pendant longtemps, rien. Puis tout d'un coup, quelque chose. Des choses merveilleuses dans la nature peuvent éclater sur la scène après de longues périodes de matité - des événements rares tels que le repliement des protéines, réactions chimiques, ou même l'ensemencement des nuages. Les techniques d'échantillonnage de chemin sont des algorithmes informatiques qui traitent la matité des données en se concentrant sur la partie du processus dans laquelle la transition se produit.

Les scientifiques utilisent des superordinateurs alloués par XSEDE pour aider à comprendre l'événement relativement rare de sels dans l'eau traversant une couche atomiquement mince, membranes nanoporeuses. D'un point de vue pratique, le taux de transport des ions à travers une membrane doit être minimisé. Afin d'atteindre cet objectif, cependant, il est nécessaire d'obtenir une image statistiquement représentative des événements de transport individuels pour comprendre les facteurs qui contrôlent son taux. Ces recherches pourraient non seulement contribuer à faire progresser le dessalement de l'eau douce; il a des applications dans la décontamination de l'environnement, de meilleurs produits pharmaceutiques, et plus.

Des techniques avancées d'échantillonnage de chemin et des simulations de dynamique moléculaire (MD) ont capturé la cinétique du transport de soluté à travers des membranes nanoporeuses, selon une étude publiée en ligne dans la revue Cell Question , janvier 2020.

"Le but était de calculer les temps moyens de premier passage des solutés quelle que soit leur ampleur, " a déclaré le co-auteur de l'étude Amir Haji-Akbari, professeur adjoint de génie chimique et environnemental à l'Université de Yale.

L'équipe a été récompensée par le temps de supercalcul par XSEDE, l'Extreme Science and Engineering Discovery Environment (XSEDE) financé par la National Science Foundation. Le système Stampede2 alloué par XSEDE au TACC a été utilisé pour les simulations de cette étude, en particulier les nœuds Skylake de Stampede2.

"XSEDE a été extrêmement utile et indispensable à ce que nous avons fait, " a déclaré Haji-Akbari. "C'est parce que les trajectoires sous-jacentes qui font partie de la méthode d'échantillonnage de flux vers l'avant sont des simulations atomistiques assez coûteuses. Nous n'aurions définitivement pas pu terminer ces études en utilisant les ressources dont nous disposons localement au laboratoire de Yale."

Des simulations MD ont été utilisées pour calculer les forces dans le système étudié au niveau atomique. Le problème avec MD est que même les supercalculateurs les plus puissants d'aujourd'hui ne peuvent gérer le calcul des nombres qu'à des échelles de temps de quelques centaines de microsecondes. Les membranes semi-perméables à l'étude qui rejetaient certains solutés ou ions avaient des temps de premier passage moyens qui pouvaient être beaucoup plus longs que les temps accessibles au DM.

"Nous avons utilisé une technique appelée échantillonnage de flux direct, qui peut être utilisé indifféremment avec des DM d'équilibre et de non-équilibre. L'aspect de non-équilibre est particulièrement important pour nous car, lorsque vous pensez au transport de solutés ou d'ions entraînés, vous avez affaire à un processus de non-équilibre qui est soit entraîné par la pression, soit entraîné par des champs électriques externes, " dit Haji-Akbari.

On peut s'en faire une idée en imaginant l'eau salée poussée par des pistons contre une membrane qui ne fait qu'expulser l'eau, laissant derrière eux les ions sodium et chlorure.

Haji-Akbari et ses collègues ont utilisé cette configuration expérimentale avec une membrane spéciale avec un nanopore à travers trois couches de graphène. Étonnamment, même à cette petite échelle, les solutés qui sont censés être rejetés peuvent toujours s'adapter.

« Géométriquement, ces solutés peuvent entrer dans les pores et traverser la membrane en conséquence, " dit Haji-Akbari. " Cependant, ce qui semble les empêcher de le faire, c'est le fait que, quand vous avez un soluté qui est dans l'eau, par exemple, il y a généralement une forte association entre ce soluté et ce que nous appelons sa coquille de solvatation, ou dans le cas de solutions aqueuses, la coquille d'hydratation."

Dans cet exemple, les molécules de solvant peuvent s'agglutiner, liaison au soluté central. Pour que le soluté pénètre dans la membrane, il doit perdre certaines de ces grosses molécules, et perdre les molécules coûte de l'énergie, ce qui constitue une barrière pour leur entrée dans la membrane. Cependant, il s'avère que cette image, bien que précis, n'est pas complet.

"Quand vous avez un ion qui traverse une membrane nanoporeuse, il y a un autre facteur qui le tire en arrière et l'empêche d'entrer et de traverser le pore, " a déclaré Haji-Akbari. " Nous avons pu identifier un très intéressant, mécanisme jusque-là inconnu pour le transport des ions à travers les nanopores. Cet aspect mécaniste est ce que nous appelons l'anisotropie de charge induite."

Pour vous donner une perspective simple de ce que c'est, imaginez un ion chlorure qui pénètre dans un nanopore. Une fois qu'il s'approche puis pénètre dans le nanopore, il trie les ions restants qui sont dans l'alimentation. En raison de la présence de ce chlorure à l'intérieur du pore, il sera plus probable que les ions sodium dans l'alimentation soient plus près de l'embouchure des pores que les ions chlorure.

"C'est le facteur supplémentaire qui fait reculer l'ion leader, " expliqua Haji-Akbari. " Vous avez essentiellement deux facteurs, déshydratation partielle, qui était connu auparavant ; mais aussi cette anisotropie de charge induite qui, à notre connaissance, est la première fois qu'elle est identifiée."

L'équipe scientifique a basé sa méthode de calcul sur l'échantillonnage de flux direct, qui est parallélisable car les composants de calcul n'interagissent pas aussi fortement les uns avec les autres. « Le calcul haute performance est très adapté à l'utilisation de ce type de méthodes, " a déclaré Haji-Akbari. "Nous l'avons déjà utilisé pour étudier la nucléation des cristaux. C'est la première fois que nous l'utilisons pour étudier le transport des ions à travers les membranes."

Au fur et à mesure que les supercalculateurs s'améliorent, ils offrent aux scientifiques des outils pour explorer l'inexpliqué de manière plus réaliste.

"Nous savons que dans les systèmes réels, le nuage électronique de toute molécule ou ion sera affecté par son environnement, " a déclaré Haji-Akbari. "Ces types d'effets sont généralement pris en compte dans les champs de force polarisables, qui sont plus précis, mais plus cher à simuler. Parce que le calcul que nous avons effectué était déjà très coûteux, nous n'avions pas les moyens d'utiliser ces champs de force polarisables. C'est quelque chose que nous aimerions faire à un moment donné, surtout si nous avons les ressources pour le faire."

« Les superordinateurs sont extrêmement utiles pour répondre à des questions que nous ne pouvons pas résoudre avec des ressources informatiques régulières. Par exemple, nous n'aurions pas pu faire ce calcul sans un supercalculateur. Ils sont extrêmement précieux pour accéder à des échelles qui ne sont accessibles à aucune des expériences, à cause de leur manque de résolution; ou des simulations, parce que vous avez besoin d'un grand nombre de nœuds informatiques et de processeurs pour pouvoir résoudre ce problème, " a conclu Haji-Akbari.