Изследователите в компютърната химия завършват хилядолетия изследвания за четири години

Хуа Гуо, почетен професор по химия и химическа биология в Университета на Ню Мексико, и неговият изследователски екип записаха впечатляващите 7257 години изчисления на системите на UNM Center for Advanced Research Computing (CARC) през последните четири години. С други думи, количеството работа, която екипът на Guo завърши за четири години, използвайки високопроизводителни изчислителни системи, би отнело 7257 години, за да завърши на един лаптоп.

Работата на Гуо се фокусира върху изчислителната химия, която позволява на изследователите да симулират химически реакции на компютри, вместо да провеждат реални експерименти, които могат да бъдат опасни, скъпи и отнемащи време.

Хуа Гуо

В традиционните химически експерименти изследователите се опитват да разберат какво правят молекулите при различни условия. Молекулите са доста малки и изискват специално оборудване за измерване и идентифициране на случващото се с тях. Компютърните симулации позволяват на изследователи като Guo да разберат и предвидят каква молекулярна активност ще се появи при определени условия, без да е необходимо специално лабораторно оборудване. Използването на компютърни симулации за разбиране на химичните реакции позволява на изследователите да манипулират условията много по-бързо и по-ефикасно, отколкото би могъл един лабораторен експеримент. Тази по-бърза и по-рентабилна изчислителна методология може да информира бъдещата експериментална работа чрез намаляване на обхвата на експеримента, който трябва да се проведе. По-важното е, че тези компютърни симулации предоставят информация за хода на химичните реакции, която понякога може да бъде трудно да се получи с помощта на експериментални средства.

Изчислителната химия често включва решаване на трудни диференциални уравнения и следователно е добре утвърдена област във високопроизводителните изчисления. Софтуерът за електронна структура помага на изследователите да изучават как атомите взаимодействат един с друг. Гуо и неговата изследователска група използват съществуващ софтуер като Gaussian и VASP и пишат свой собствен код, за да разберат какво се случва с електроните в химичните реакции. Изчислителните методи позволяват на Гуо и неговата изследователска група да изучават химическата реактивност и да използват тази информация по много полезни начини, включително подобряване на химичните процеси, за да ги направят по-ефективни и екологични, и да създават по-добри материали.

„Винаги задаваме въпроса защо. Ако разберем защо, можем да продължим да правим как“, обясни Гуо.

Изследването на химическата реактивност има дълбоки последици извън областта на химията и много организации имат желание да работят с изследователи, способни на тази работа. Изследователската група на Гуо е световен лидер в тази област поради способността си да използва изчислителни методи за разбиране на химичните реакции.

„Чрез увеличаване на изчисленията до стотици процесори, [Guo] успя да отключи решения на проблеми, които биха били невъзможни за разрешаване на традиционен компютър. Това демонстрира, че суперкомпютрите са толкова революционни и толкова важен инструмент за съвременната наука, колкото микроскопът беше за биологията или телескопът за астрономията“, каза Матю Фрике, асистент професор в CRAC.

В проект, финансиран от Националната научна фондация, Гуо изучава повърхностни реакции, свързани с катализа. Катализата е процес, при който скоростта на химическа реакция се повишава от катализатор. Например амонякът е химикал, който обикновено се използва като тор, който се получава чрез създаване на реакция между азот и водород, които обикновено не реагират без катализатор. Разбирането на основното молекулярно поведение на химическата реакция в производствения процес може да доведе до разработването на по-щадящи околната среда начини за производство на този широко използван химикал.

В друг проект, финансиран от НАСА и ВВС на САЩ, Гуо изследва химията, свързана със системите за термична защита (TPS) за космически кораби. По-конкретно, той се стреми да разбере химическия процес, който се случва по време на влизане, когато космическият кораб, пътуващ с висока скорост, преминава през атмосферата на планета (включително Земята). При влизане се генерира невероятно количество топлина, достатъчно да наруши комуникациите за известно време. TPS плочките, изработени от въглерод и други материали, покриват повърхностите на космическите кораби, които са най-засегнати от тази изключително висока топлина.

Изследването на Гуо използва изчислителна химия, за да разбере взаимодействието между въглерода в плочките и други елементи в атмосферата като азот и кислород. Чрез по-добро разбиране на тези реакции, надеждата е, че могат да бъдат разработени още по-добри системи за термична защита, които може да са в състояние да избегнат прекъсването на комуникационните системи, когато космически кораби преминават през атмосферата, докато се подготвят за кацане.

Гуо също работи, за да разбере химикалите в атмосферата на Титан, един от спътниците на Сатурн, и въздействието, което те биха могли да имат върху космически кораб, кацащ там. Спектроскопията позволява на астрономите на Земята да измерват взаимодействието между електромагнитните полета и материята и тези измервания могат да се използват за идентифициране на молекули в атмосферата на планета или луна. Анализът на атмосферата на Титан показва, че неговата атмосфера е различна от атмосферата на Земята; Атмосферата на Титан е предимно азот и метан, докато земната е предимно азот и кислород.

Следващата мисия на НАСА Dragonfly има за цел да търси признаци на живот на Титан; те планират да доставят капсула, съдържаща дрон, на повърхността на Титан, така че луната да може да бъде изследвана по въздух. Тази капсула трябва да премине безопасно през атмосферата на Титан, за да кацне. Следователно работата на Гуо има за цел да осигури безопасността на капсулата чрез разбиране на химичните реакции, протичащи при влизане и гарантиране, че материалите, използвани в системата за термична защита на капсулата, ще могат да издържат на топлината.

Другата работа на Гуо включва широк спектър от проекти по изчислителна химия, вариращи от изучаване на взаимодействието на молекули при ултра-ниски температури до изследване на химическата реактивност при ултра-горещи условия и дори обяснение за странното поведение на озоновите молекули в земната атмосфера. Тази гама от дейности има последици, обхващащи дисциплини, вариращи от химията на околната среда до квантовите изчисления.

През 2021 г. Гуо беше избран за сътрудник на Американската асоциация за напредък на науката (AAAS). Той също така участва във вътрешния консултативен съвет на CPRC, който прави препоръки относно бъдещите насоки и инициативи на Центъра. Научете повече за изследователската работа и групата на Guo тук.

Снимка от Hua Guo с любезното съдействие на катедрата по химия и химическа биология на UNM

/Публично съобщение. Този материал от оригиналната организация/автори може да бъде ad hoc по природа, редактиран за яснота, стил и дължина. Изразените възгледи и мнения са на автора или авторите. Вижте изцяло тук.

Add Comment