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計(jì)算能力解開了分子之謎
研究人員必須研究近10萬張這種類型的模擬圖像,才能確定是什么觸發(fā)了水分子的分裂。大量的計(jì)算能力投入到了這些模擬中。
化學(xué)反應(yīng)總是發(fā)生在我們周圍-在我們呼吸的空氣中,在我們喝的水里,在生產(chǎn)我們?nèi)粘I钪惺褂玫漠a(chǎn)品的工廠里。這些反應(yīng)出乎意料的快。在給定的最佳條件下,分子可以在十億分之一秒內(nèi)相互反應(yīng)。
工業(yè)界一直在努力實(shí)現(xiàn)更快更好的化工過程。制造氫,這需要分裂水分子,是一個(gè)例子。為了改善這一過程,研究人員需要知道不同的分子是如何相互作用的,以及是什么觸發(fā)了這些反應(yīng)。計(jì)算機(jī)模擬可以研究一億億分之一秒內(nèi)發(fā)生的事情,因此,如果知道化學(xué)反應(yīng)的順序,或者如果引發(fā)反應(yīng)的觸發(fā)因素經(jīng)常發(fā)生,就可以研究反應(yīng)的步驟。
但實(shí)際情況往往并非如此。分子反應(yīng)經(jīng)常表現(xiàn)出不同的行為。最優(yōu)的條件往往不存在,比如用于制氫的水分子,這使得即使用計(jì)算機(jī)模擬也很難對(duì)反應(yīng)進(jìn)行研究。
直到最近,科學(xué)家們還不知道是什么引發(fā)了水分子的分裂。然而,眾所周知,水分子在分裂之前有10小時(shí)的壽命。十個(gè)小時(shí)聽起來可能不是很長,但與分子時(shí)間尺度,十億分之一秒,相比,它是相當(dāng)長的。這使得確定導(dǎo)致水分子分裂的機(jī)制具有極大的挑戰(zhàn)性。就像大海撈針一樣。
NTNU的研究人員最近發(fā)現(xiàn)了一種方法來識(shí)別大海撈針。在他們的研究中,他們結(jié)合了兩種以前沒有一起使用過的技術(shù)。
他們研究了近10萬張這種類型的模擬圖像,然后才能確定是什么觸發(fā)了水分子的分裂。大量的計(jì)算能力投入到了這些模擬中。通過他們的特殊方法,研究人員設(shè)法精確地模擬了水分子是如何分裂的。NTNU化學(xué)系的研究員Anders Lervik說:“我們開始查看這10,000張模擬膠片,手工分析它們,試圖找出水分子分裂的原因?!?/div>
“在花了大量時(shí)間研究這些模擬電影之后,我們發(fā)現(xiàn)了一些有趣的關(guān)系,但我們也意識(shí)到,數(shù)據(jù)量太大了,無法手動(dòng)調(diào)查所有東西?!毖芯咳藛T使用機(jī)器學(xué)習(xí)的方法來發(fā)現(xiàn)引發(fā)反應(yīng)的原因。這種方法從未用于這種類型的模擬。通過這一分析,他們發(fā)現(xiàn)了一小部分變量,這些變量描述了是什么引發(fā)了這些反應(yīng)。
他們的發(fā)現(xiàn)提供了關(guān)于因果機(jī)制的詳細(xì)知識(shí),以及改進(jìn)這一過程的想法。在這項(xiàng)研究中,為使工業(yè)化學(xué)反應(yīng)更快、更有效地發(fā)生,已經(jīng)邁出了重要的一步。它為提高氫氣產(chǎn)量提供了很大的潛力。
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