当实验遇上计算机
日期:2022-06-28 10:53:10 | 作者:优游手机版下载 | 来源:优游官方app

  在今年9月举行的超级计算创新联盟全体会议上,山西煤化所研究员温晓东作了题为《理论计算在能源材料及能源转化中的应用》的报告,阐述了计算机化学这门新学科的发展及应用,化学已经不是一门纯实验科学

  “用棍子和小球来搭建分子模型,把溶液缓缓倒入玻璃烧杯……人们印象中的化学离不开实验室,总在瓶瓶罐罐中发生,反应周期也很长。”中国科学院山西煤炭化学研究所研究员温晓东介绍,如今随着科技发展,尤其是超级计算机的飞速发展,一些原本需要在实验室中进行几年甚至几十年的化学实验,依靠超级计算机只需要一两年就可以完成。

  对于今天的化学研究者来说,计算机和实验器材同等重要,计算机可以形象地模拟实验过程,传统实验结果能被计算机预测出来,化学已不再是纯实验科学。

  温晓东属于最早在所里使用超级计算机进行化学研究的成员,这与其学习经历有关。温晓东2007年在山西煤化所取得理学博士学位,同年赴美国康奈尔(Cornell University)大学,师从Roald Hoffmann教授(1981诺贝尔化学奖得主)和著名物理学家Neil Ashcroft教授,在多相催化、低维材料及强相关联体系理论方法的开发和应用等领域开展系统性研究。2014年5月,他入选中国科学院百人计划及山西百人计划。

  “通过计算机进行化学研究,离不开理论方法的发展。”温晓东说,理论计算是建立在一个演绎法的层次上,从少数几条公理假设出发,经过逻辑演绎,得到自洽的形式理论体系;再从形式理论出发,利用模型近似、二次形式化和计算,得到理论预计值。“通俗地讲,就是通过数学公式计算、演绎化学,根据实验需求,通过计算机设计所需的催化剂或材料。”他说,相当于我们先在实验室阶段进行了一个计算机模拟的虚拟实验,然后根据计算结果再去做实验,马上就可以发现其可行与否,从而节省出大量时间、人力和物力。

  如何高效、清洁地利用煤炭是山西煤化所研究的一大主题。煤炭在我国一次能源消费结构中的比重占到60%,煤的转化利用、二氧化碳的排放等问题,都是其重点研究课题。而把化学实验“搬进”超级计算机,通过超级计算机进行理论计算,无疑加快了研发进度。

  煤作为固体能源,不能直接用于机动车作燃料。如何把煤转成汽油、柴油等油品,山西煤化所研究开发了一套自己的理论和方法,通过煤炭间接液化,将煤首先气化为合成气(H2和CO的混合气),合成气再在催化剂作用下反应生成液态烃、蜡、气态烃,该反应称为费托合成反应,合成得到的液态烃、蜡再经加工得到成品油。这些油品都是无污染、无硫、无杂质的高品质环保型清洁燃料。

  “我们利用理论方法对我们研究的催化体系进行计算机模拟设计,设计完后转到实验室,由实验室研究人员进行真实催化剂体系的设计和开发,实验再从小试做到中试最后工业化。”温晓东说,催化剂的研发,原来都是在特定的温度下,按各种化学元素的不同配比进行反应,需要做无数次实验,周期很长。而超级计算机可以通过其智能程序去分析、判断,让它去寻找可能的高效催化剂,相当于设计一个智能机器人,按照提前设定的化学指示、物理概念、材料特性等目标,去找一种合适的催化剂,结果会非常接近实验产生的值,研发周期大大缩短。

  举个简单例子。大家都知道2个氢原子和1个氧原子生成1个水分子,实际上由于各种因素的影响,氢原子和氧原子处于2:1的比例时,不一定是最好的配比,可能是其他的氢氧比,生成的水分子才最多。如果用传统实验方法验证,就需要按照不同配比做大量实验,最后得出一个配比曲线,找出最佳值。而用超级计算机,只需输入不同参数,很快就能做出一个类似曲线,再取少数几个配比值去做实验即可。

  催化剂体系/加氢脱硫反应机理,Fe基催化剂体系/费托合成反应机理,及分子筛催化剂体系/甲醇转化反应机理等三个方面的应用及取得的成果,系统展示了理论计算成为催化剂设计及详细的反应机理的研究中不可或缺的方法,并指出理论计算已经从电子水平研究催化及材料体系的普适方法和通用表征手段。由于该方法强烈地依赖于理论方法的发展和超算技术的进步,因此需要多学科间的进一步交叉与融合。

  “事实上,山西煤化所从1997年使用第一台电脑开始,就将理论计算引入科学研究。”山西煤化所网络中心宋昌博士介绍,十几年来,该所从当年的奔腾II处理器的电脑,发展成拥有30余万亿次计算能力的超级计算集群,将最初的小分子半经验量化计算拓展到了固体表面积纳米结构的高精度量化计算,逐步开始从事自主计算方法的开发,并开始探索新能源与新材料,以及将量化计算运用到材料的结构预测中。

  2014年,山西煤化所超级计算所级中心支撑了包括中国科学院低阶煤清洁高效综合利用先导专项、国家863、973等各类研发项目10余项,有力地支撑了低阶煤清洁高效利用过程模拟,合成油催化剂开发、催化剂表面结晶、纳米团簇尺寸模型、催化与化学反应的机理、表面氧化机理、煤灰熔融特性与黏温特性等研究。

  目前,在山西煤化所,超级计算已经应用在煤制油催化剂研发、煤气化的反应设备研发、新型石墨烯材料,以及煤的灰化学研究等多个领域。

  温晓东说,随着信息技术领域存储、传输、计算等性能指标不断冲击极限,过去许多不可能变为可能,理论计算在能源材料及能源转化中的应用将更深更广。