Ученые из Техниона и Йельского университета применили мощности суперкомпьютера компании XSEDE, чтобы описать процессы, происходящие при переносе ионов солей через атомарно-тонкие нанопористые мембраны. Статья исследователей опубликована в журнале Matter.

«Цель нашей работы состояла в том, чтобы рассчитать среднее время первого достижения границы мембраны для ионов растворенных веществ, независимо от их массы и размера», — говорит соавтор исследования, адъюнкт-профессор кафедры химической и экологической инженерии Йельского университета Амир Хаджи-Акбари.

В новом исследовании ученые использовали модели молекулярной динамики (МД). Проблема в их использовании, однако, состоит в том, что они способны обработать только небольшое количество данных — описать поведение системы на промежутке всего в несколько сотен микросекунд. Исследуемые учеными полупроницаемые мембраны имели среднее время первого прохождения, которое могло быть намного больше величины, доступной для обработки такими моделями.

Поэтому авторы работы применили метод, называемый отбором проб из потока. Он может быть в равной степени использован с равновесной и неравновесной моделью МД. Неравновесный аспект был особенно важен для исследователей, так как ионный транспорт относится именно к такому виду процессов. Для его протекания необходимо наличие неравновесного состояния, из которого система старается перейти в равновесие.

В своей работе ученые использовали экспериментальную установку, представляющую собой нанопористую мембрану с тремя слоями графена. Они пропускали через нее растворы веществ с известным размером ионов. Геометрически они могут проходить через поры мембраны, но не делают этого из-за образования связей между растворенным веществом и растворителем. Таким образом из небольших ионов они превращаются в объемные кластеры, не способные проникать через небольшие поры мембраны.

Ионы могут пройти через мембрану, если потеряют часть энергии и освободятся от молекул растворителя. Однако в новой работе ученые обнаружили новый механизм процесса переноса ионов. Чтобы сделать это, исследователи использовали специальные математические модели, построенные на суперкомпьютере.

Авторы выяснили, что как только, например, отрицательно заряженный хлорид-ион приближается и затем входит в нанопору, он отодвигает остальные частицы, которые находятся в потоке. Из-за наличия этого хлорида внутри поры начинается притяжение положительно заряженных ионов натрия, которые более охотно проходят через пору.

Такие выводы ученым помог сделать вычислительный анализ на основе известных моделей распределения заряда внутри молекул и ионов.