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计算能力解开了分子之谜

【摘要】:
研究人员必须研究近10万张这种类型的模拟图像,才能确定是什么触发了水分子的分裂。大量的计算能力投入到了这些模拟中。化学反应总是发生在我们周围-在我们呼吸的空气中,在我们喝的水里,在生产我们日常生活中使用的产品的工厂里。这些反应出乎意料的快。在给定的最佳条件下,分子可以在十亿分之一秒内相互反应。工业界一直在努力实现更快更好的化工过程。制造氢,这需要分裂水分子,是一个例子。为了改善这一过程,研究人员需
研究人员必须研究近10万张这种类型的模拟图像,才能确定是什么触发了水分子的分裂。大量的计算能力投入到了这些模拟中。
化学反应总是发生在我们周围-在我们呼吸的空气中,在我们喝的水里,在生产我们日常生活中使用的产品的工厂里。这些反应出乎意料的快。在给定的最佳条件下,分子可以在十亿分之一秒内相互反应。
工业界一直在努力实现更快更好的化工过程。制造氢,这需要分裂水分子,是一个例子。为了改善这一过程,研究人员需要知道不同的分子是如何相互作用的,以及是什么触发了这些反应。计算机模拟可以研究一亿亿分之一秒内发生的事情,因此,如果知道化学反应的顺序,或者如果引发反应的触发因素经常发生,就可以研究反应的步骤。
但实际情况往往并非如此。分子反应经常表现出不同的行为。最优的条件往往不存在,比如用于制氢的水分子,这使得即使用计算机模拟也很难对反应进行研究。
直到最近,科学家们还不知道是什么引发了水分子的分裂。然而,众所周知,水分子在分裂之前有10小时的寿命。十个小时听起来可能不是很长,但与分子时间尺度,十亿分之一秒,相比,它是相当长的。这使得确定导致水分子分裂的机制具有极大的挑战性。就像大海捞针一样。
NTNU的研究人员最近发现了一种方法来识别大海捞针。在他们的研究中,他们结合了两种以前没有一起使用过的技术。
他们研究了近10万张这种类型的模拟图像,然后才能确定是什么触发了水分子的分裂。大量的计算能力投入到了这些模拟中。通过他们的特殊方法,研究人员设法精确地模拟了水分子是如何分裂的。NTNU化学系的研究员Anders Lervik说:“我们开始查看这10,000张模拟胶片,手工分析它们,试图找出水分子分裂的原因。”
“在花了大量时间研究这些模拟电影之后,我们发现了一些有趣的关系,但我们也意识到,数据量太大了,无法手动调查所有东西。”研究人员使用机器学习的方法来发现引发反应的原因。这种方法从未用于这种类型的模拟。通过这一分析,他们发现了一小部分变量,这些变量描述了是什么引发了这些反应。
他们的发现提供了关于因果机制的详细知识,以及改进这一过程的想法。在这项研究中,为使工业化学反应更快、更有效地发生,已经迈出了重要的一步。它为提高氢气产量提供了很大的潜力。