Η προσομοίωση αντιπροσωπεύει τον πραγματικό κόσμο σε ατομικό επίπεδο;

Οι προσομοιώσεις υπολογιστών έχουν τεράστιες υποσχέσεις για την επιτάχυνση της μοριακής μηχανικής των τεχνολογιών πράσινης ενέργειας, όπως νέα συστήματα αποθήκευσης ηλεκτρικής ενέργειας και χρήση ηλιακής ενέργειας, καθώς και δέσμευση διοξειδίου του άνθρακα από το περιβάλλον. Ωστόσο, η προγνωστική δύναμη αυτής της προσομοίωσης εξαρτάται από την ύπαρξη μέσων για να επιβεβαιώσετε ότι περιγράφει πραγματικά τον πραγματικό κόσμο.

Αυτή η επιβεβαίωση δεν είναι εύκολη υπόθεση. Αρκετές παραδοχές πηγαίνουν στην προετοιμασία αυτής της προσομοίωσης. Ως αποτέλεσμα, οι προσομοιώσεις πρέπει να εξεταστούν προσεκτικά χρησιμοποιώντας ένα κατάλληλο «πρωτόκολλο επικύρωσης» που περιλαμβάνει πειραματικές μετρήσεις.

“Εστιάσαμε σε μια στερεή / υγρή διεπαφή, επειδή οι διεπαφές είναι πανταχού παρούσες σε υλικά και αυτές μεταξύ των οξειδίων και του νερού είναι το κλειδί σε πολλές ενεργειακές εφαρμογές.” – Τζούλια Γκαλέι, θεωρητική με από κοινού ραντεβού στο Argonne και στο Πανεπιστήμιο του Σικάγο

Για να ανταποκριθεί σε αυτήν την πρόκληση, μια ομάδα επιστημόνων στο Εθνικό Εργαστήριο του Υπουργείου Ενέργειας των ΗΠΑ (DOE) Argonne, University of Chicago και University of California, Davis, ανέπτυξε ένα πρωτοποριακό πρωτόκολλο επαλήθευσης για την προσομοίωση της ατομικής δομής της διεπαφής μεταξύ στερεού (μεταλλικό οξείδιο) και υγρού νερού. Την ομάδα ηγούνταν η Τζούλια Γκαλέι, η συντονίστρια θεωρητική στο Argonne και το Πανεπιστήμιο του Σικάγο, και ο Paul Venter, ένας πειραματικός εμπειρογνώμονας στην Argonne.

«Εστιάσαμε σε μια στερεά / υγρή διεπαφή επειδή οι διεπαφές είναι πανταχού παρούσες σε υλικά, και αυτές μεταξύ οξειδίων και νερού είναι απαραίτητες σε πολλές ενεργειακές εφαρμογές», δήλωσε ο Galle.

«Μέχρι στιγμής, τα περισσότερα πρωτόκολλα επικύρωσης έχουν σχεδιαστεί για χύδην υλικά, αγνοώντας διεπαφές», πρόσθεσε ο Venter. «Θεωρήσαμε ότι η ατομική δομή των επιφανειών και των διεπαφών σε ρεαλιστικά περιβάλλοντα θα αποτελούσε μια ιδιαίτερα ευαίσθητη και επομένως απαιτητική προσέγγιση επικύρωσης».

Η διαδικασία επικύρωσής τους χρησιμοποιεί μετρήσεις ανακλαστικότητας ακτίνων Χ υψηλής ανάλυσης (XR) ως πειραματικό υπόστρωμα για το πρωτόκολλο. Η ομάδα συνέκρινε τις μετρήσεις XR της διεπαφής οξειδίου αλουμινίου / νερού, που έγιναν στο beamline 33-ID-D στο Advanced Photon Source (APS) στο Argonne, με τα αποτελέσματα που προέκυψαν με την εκτέλεση προσομοιώσεων υπολογιστών υψηλής απόδοσης στην εγκατάσταση Argonne Leadership Computing ( ALCF). Τόσο το APS όσο και το ALCF είναι εγκαταστάσεις χρηστών του Τμήματος Επιστημών της Ενέργειας.

“Αυτές οι μετρήσεις αποκαλύπτουν την αντανάκλαση των ακτίνων Χ εξαιρετικά υψηλής ενέργειας από τη διεπαφή οξειδίου / νερού”, δήλωσε ο Ζαν Ζανγκ, φυσικός στο Τμήμα Επιστήμης Ακτίνων Χ της Αργονίας. Στις ενέργειες δέσμης που παράγονται στο APS, τα μήκη κύματος ακτίνων Χ είναι παρόμοια με τις διατομικές αποστάσεις. Αυτό επιτρέπει στους ερευνητές να ερευνήσουν άμεσα την αρχιτεκτονική μοριακής κλίμακας της διεπαφής.

“Αυτό καθιστά το XR ιδανικό ανιχνευτή για τη λήψη πειραματικών αποτελεσμάτων που μπορούν να συγκριθούν άμεσα με προσομοιώσεις”, προσθέτει η Kathryn Harmon, μεταπτυχιακός φοιτητής στο Πανεπιστήμιο Northwestern, επισκέπτης φοιτητής στο Argonne και ο πρώτος συγγραφέας του εγγράφου, “Αυτό καθιστά το XR ιδανικό ανιχνευτή για πειραματικά αποτελέσματα που μπορούν να συγκριθούν άμεσα με προσομοιώσεις.” Η ομάδα πραγματοποίησε τις προσομοιώσεις στο ALCF χρησιμοποιώντας τον κώδικα Qbox Η πεπερασμένη θερμοκρασία της ύλης και των σωματιδίων χρησιμοποιώντας προσομοιώσεις με βάση την κβαντική μηχανική.

«Ήμασταν σε θέση να δοκιμάσουμε αρκετές εκτιμήσεις της θεωρίας», δήλωσε ο Francois Gigi του Πανεπιστημίου της Καλιφόρνια, Davis, μέλος της ομάδας και ο κύριος προγραμματιστής του κώδικα Qbox. Η ομάδα συνέκρινε τη μετρούμενη ένταση XR με αυτήν που υπολογίστηκε από διάφορες προσομοιωμένες δομές. Διερεύνησαν επίσης πώς οι διάσπαρτες ακτίνες Χ των ηλεκτρονίων παρεμβαίνουν σε διαφορετικά μέρη του δείγματος για να παράγουν το πειραματικά παρατηρούμενο σήμα.

Η προσπάθεια της ομάδας αποδείχθηκε πιο δύσκολη από το αναμενόμενο. “Βεβαίως, ήταν ένα είδος δοκιμής και σφάλματος στην αρχή όταν προσπαθούσαμε να κατανοήσουμε τη σωστή γεωμετρία που θα έπρεπε να υιοθετηθεί και τη σωστή θεωρία που θα μας έδινε ακριβή αποτελέσματα”, δήλωσε η Μαρία Τσαν, συν-συγγραφέας της μελέτης. Επιστήμονας στο Κέντρο Νανοϋλικών του Argonne, Γραφείο Επιστημών του Τμήματος Ενέργειας. “Ωστόσο, η εναλλαγή μεταξύ θεωρίας και πειράματος αποδίδει και καταφέραμε να δημιουργήσουμε ένα ισχυρό πρωτόκολλο επικύρωσης που μπορεί τώρα να αναπτυχθεί και σε άλλες διεπαφές.”

«Το πρωτόκολλο επικύρωσης βοήθησε στον εντοπισμό των πλεονεκτημάτων και των αδυναμιών των προσομοιώσεων, παρέχοντας ένα δρόμο για την κατασκευή ακριβέστερων μοντέλων στερεών / υγρών διεπαφών στο μέλλον», δήλωσε ο Kendra Letchworth-Weaver. Επίκουρη καθηγήτρια στο Πανεπιστήμιο James Madison, ανέπτυξε ένα πρόγραμμα για την πρόβλεψη σημάτων XR από προσομοιώσεις κατά τη διάρκεια μεταδιδακτορικής υποτροφίας στο Argonne.

Οι προσομοιώσεις έδωσαν επίσης νέα εικόνα στις ίδιες τις μετρήσεις XR. Συγκεκριμένα, έδειξαν ότι τα δεδομένα είναι ευαίσθητα όχι μόνο σε ατομικές θέσεις, αλλά και στην κατανομή ηλεκτρονίων που περιβάλλει κάθε άτομο με λεπτούς και περίπλοκους τρόπους. Αυτές οι ιδέες θα αποδειχθούν χρήσιμες για μελλοντικές δοκιμές διεπαφών οξειδίου / υγρού.

Η διεπιστημονική ομάδα είναι μέρος του Midwest Integrated Center for Computational Materials, με έδρα το Argonne, το οποίο είναι το Κέντρο Πληροφορικής Υλικών με την υποστήριξη του Υπουργείου Ενέργειας. Η εργασία παρουσιάστηκε σε ένα άρθρο με τίτλο “Επικύρωση των πρώτων αρχών των υπολογισμών της μοριακής δυναμικής των διεπαφών οξειδίου / νερού με δεδομένα ανάκλασης ακτίνων Χ”, το οποίο εμφανίστηκε στο τεύχος Νοεμβρίου 2020 του Υλικό αξιολόγησης υλικού. Αυτό το έργο έχει λάβει υποστήριξη από το Γραφείο Βασικών Επιστημών Ενέργειας του Υπουργείου Ενέργειας, το Βραβείο Εργαστηριακής Έρευνας και Ανάπτυξης και το Υπουργείο Άμυνας. Ο χρόνος υπολογισμού ALCF έχει παραχωρηθεί από το Υπουργείο Ενέργειας Η πρόκληση ηγεσίας υπολογιστών ASCR.

###

Σχετικά με το κέντρο αργού για νανοϋλικά

Το Κέντρο Νανοϋλικών είναι ένα από τα πέντε Κέντρα Έρευνας Νανοεπιστημών του Τμήματος Ενέργειας, τα οποία είναι οι κορυφαίες εθνικές εγκαταστάσεις χρηστών για διεπιστημονική έρευνα σε επίπεδο νανοκλίμακας με την υποστήριξη του Γραφείου Επιστημών του Τμήματος Ενέργειας. Μαζί, τα εθνικά ερευνητικά κέντρα αποτελούν μια ομάδα συμπληρωματικών εγκαταστάσεων που παρέχουν στους ερευνητές τις τελευταίες δυνατότητες κατασκευής, επεξεργασίας, χαρακτηρισμού και μοντελοποίησης νανοϋλικών και αποτελούν τη μεγαλύτερη επένδυση υποδομής για την Εθνική Πρωτοβουλία Νανοκλίμακας. Τα κέντρα NSRC βρίσκονται στα Εθνικά Εργαστήρια Argonne, Brookhaven, Lawrence Berkeley, Oak Ridge, Sandia και Los Alamos του Υπουργείου Ενέργειας. Για περισσότερες πληροφορίες σχετικά με τα NSRC των DOE, επισκεφθείτε τη διεύθυνση //www.everydayhealth.com/drugs/news https: //Επιστήμη.τυρί.Κυβερνητικό /Εγκαταστάσεις χρηστών /Γρήγορη προβολή των εγκαταστάσεων χρήστη.

Η διευκόλυνση υπολογιστών Argonne Leadership Παρέχει ανώτερες δυνατότητες υπολογιστών στην επιστημονική και μηχανική κοινότητα για να προωθήσει τη θεμελιώδη ανακάλυψη και κατανόηση σε ένα ευρύ φάσμα επιστημονικών κλάδων. Υποστηριζόμενο από το Γραφείο Επιστημών, το Προηγμένο Πρόγραμμα Επιστημονικής Πληροφορικής του Υπουργείου Ενέργειας των ΗΠΑ (DOE), το ALCF είναι μία από τις δύο από τις δύο κορυφαίες υπολογιστικές εγκαταστάσεις του Υπουργείου Ενέργειας στο έθνος αφιερωμένο στην Ανοιχτή Επιστήμη.

Σχετικά με την Προηγμένη πηγή φωτονίων

Η προηγμένη πηγή φωτόνων του Υπουργείου Ενέργειας των ΗΠΑ (APS) στο Εθνικό Εργαστήριο Argonne είναι μία από τις πιο παραγωγικές εγκαταστάσεις ακτινογραφίας στον κόσμο. Το APS παρέχει ακτινογραφίες υψηλής φωτεινότητας σε μια διαφορετική κοινότητα ερευνητών στην επιστήμη υλικών, τη χημεία, τη φυσική συμπυκνωμένης ύλης, τις βιοεπιστήμες, την οικολογία και την εφαρμοσμένη έρευνα. Αυτές οι ακτίνες Χ είναι ιδανικές για εξερεύνηση βιολογικών υλικών και συνθέσεων. Στοιχειακή κατανομή χημικών, μαγνητικών και ηλεκτρονικών καταστάσεων · Και ένα ευρύ φάσμα τεχνολογικά σημαντικών μηχανολογικών συστημάτων από μπαταρίες έως ψεκαστήρες ψεκασμού καυσίμου, τα οποία είναι όλα τα θεμέλια της οικονομικής, τεχνολογικής και υλικής ευημερίας του έθνους μας. Κάθε χρόνο, περισσότεροι από 5.000 ερευνητές χρησιμοποιούν το APS για να παράγουν περισσότερες από 2.000 δημοσιεύσεις που περιγράφουν λεπτομερώς τον επηρεασμό των ανακαλύψεων, επιλύοντας περισσότερες δομές βιοπρωτεϊνών από τους χρήστες οποιασδήποτε άλλης ερευνητικής εγκατάστασης για μια πηγή φωτός ακτίνων Χ. Οι επιστήμονες και οι μηχανικοί της APS δημιουργούν τεχνολογία που βρίσκεται στην καρδιά της πρόωσης του γκαζιού και των πηγών φωτός. Αυτό περιλαμβάνει συσκευές εισόδου που παράγουν εξαιρετικά φωτεινές ακτίνες Χ που εκτιμούν οι ερευνητές, φακούς που εστιάζουν τις ακτίνες Χ σε μερικά νανόμετρα, συσκευές που αυξάνουν τον τρόπο αλληλεπίδρασης των ακτίνων Χ με τα δείγματα που μελετώνται και λογισμικό που συλλέγει και διαχειρίζεται τον τεράστιο όγκο δεδομένων που δημιουργούνται από την έρευνα ανακάλυψης. Στο APS.

Αυτή η έρευνα χρησιμοποίησε τους πόρους της Προηγμένης Πηγής Φωτονίων, μιας εγκατάστασης χρηστών του Υπουργείου Ενέργειας των ΗΠΑ που εργάζεται για το Γραφείο Επιστήμης του Τμήματος Ενέργειας από το Εθνικό Εργαστήριο Argonne με τον αριθμό συμβολαίου DE-AC02-06CH11357.

Εθνικό Εργαστήριο Argonne Επιδιώκει να βρει λύσεις στα πιεστικά εθνικά προβλήματα στην επιστήμη και την τεχνολογία. Η Argonne διεξάγει το πρώτο εθνικό εργαστήριο της χώρας, πρωτοπορώντας βασική και εφαρμοσμένη επιστημονική έρευνα σε σχεδόν κάθε επιστημονικό κλάδο. Οι ερευνητές του Irgun συνεργάζονται στενά με ερευνητές από εκατοντάδες εταιρείες, πανεπιστήμια και ομοσπονδιακές, πολιτειακές και δημοτικές υπηρεσίες για να τους βοηθήσουν να λύσουν τα συγκεκριμένα προβλήματά τους, να ενισχύσουν την αμερικανική επιστημονική ηγεσία και να προετοιμάσουν το έθνος για ένα καλύτερο μέλλον. Με υπαλλήλους από περισσότερες από 60 χώρες, το Argonne διοικείται από UChicago Argonne, LLC προς το Γραφείο Επιστημών, Υπουργείο Ενέργειας των ΗΠΑ.

Γραφείο Επιστημών του Υπουργείου Ενέργειας των ΗΠΑ Είναι ο μεγαλύτερος υποστηρικτής της βασικής έρευνας στις φυσικές επιστήμες στις Ηνωμένες Πολιτείες και εργάζεται για να αντιμετωπίσει μερικές από τις πιο πιεστικές προκλήσεις της εποχής μας. Για περισσότερες πληροφορίες επισκεφθείτε https: //ενέργεια.Κυβερνητικό /Επιστήμη.