Исследователи из Национальной лаборатории Ок-Ридж Министерства энергетики США использовали суперкомпьютер « Пик » для проведения крупномасштабного и высокоточного моделирования молекулярной динамики динамического воздействия границы раздела воды и воздуха в химических реакциях. Это исследование показало, как вода контролирует химические реакции через динамическую связь с реагирующими молекулами, давая новый взгляд на разработку методов ускорения химических реакций на границе раздела.

Исследовательская группа сосредоточила свое внимание на бимолекулярной нуклеофильной реакции замещения под названием S N 2, которая является одним из обычных механизмов реакции в химии, физике, биологии и химии атмосферы. Например, в синтезе лекарственных препаратов важную роль играет реакция S N 2, которая когда-то использовалась для производства ибупрофена.

Вячеслав Брянцев, руководитель группы химического разделения ОРНЛ, сказал: « Наше исследование впервые дает ответ на вопрос « какую динамическую роль играет граница раздела воздух-вода в регулировании скорости химической реакции? ». Мы обнаружили, что общая скорость реакции на границе раздела воздух-вода выше, чем реакция только в основных водоемах окружающей среды ".

Результаты моделирования показали, что химическая реакция между водой и воздухом может быть ускорена, вытащив взаимодействующие молекулы из объемной среды воды ближе к поверхности воды. Это связано с тем, что динамическая связь между водой и этими молекулами уменьшается, что позволяет химическим реакциям происходить с меньшим количеством помех.

Сантану Рой (Santanu Roy), ученый из Национальной лаборатории Оук-Ридж, далее объясняет: "Чем больше молекул воды связаны, тем больше препятствия для реакции. Если мы сможем уменьшить эту динамическую связь, мы сможем увеличить скорость реакции. Наше исследование показывает, что, изменяя среду границы раздела, мы можем контролировать эту связь и, в свою очередь, скорость реакции".

Используя код CP2K с открытым исходным кодом, исследовательская группа смоделировала траектории реакции молекул на суперкомпьютере Summit и провела динамический анализ этих путей, чтобы сформировать карту распределения энергии процесса. "Без ведущей вычислительной мощности наши теории не могут быть проверены или изучены. Суперкомпьютер Summit оказывает нам огромную помощь",-подчеркнул Рой.

Кроме того, исследование смоделировало притяжение отрицательно заряженных аминокислот молекулами поверхностно-активного вещества с положительным зарядом и подтвердило увеличение скорости реакции на 10-15%. Это открытие еще больше проливает свет на сложный механизм действия воды в химических реакциях.