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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。
 
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