Research and Development: User projects

Aktualnie planowany projekt dotyczy rozpoczętych już badań. Efektem tych badań były dwie publikacje (PNAS doi.org/10.1073/pnas.22095451, IF=12.779; JCP doi.org/10.1063/5.0134932, IF=4.304). Planujemy kontynuować badania dotyczące zachowania się lodu w kontakcie z powierzchniami krystalicznymi o różnej hydrofilowości. Chcemy w sposób systematyczny przebadać, jak zmienia się tzw. warstwa przedtopnienia (ang. premelting film) w zależności od temperatury oraz ciśnienia. Woda ze względu na to, iż jej faza ciekła jest gęstsza od ciała stałego, posiada ujemne nachylenie krzywej współistnienia ciecz-ciało stałe, co w konsekwencji powoduje, iż topi się wraz ze wzrostem ciśnienia, w przeciwieństwie do większości substancji. Jest to znane zjawisko i wstępnie pokazaliśmy w pierwszej z wymienionych prac (PNAS), że ta warstwa przedtopnienia również wzrasta wraz z przyłożonym ciśnieniem, a jej grubość zależy od hydrofilowości powierzchni, z którą lód jest w kontakcie. Jako, że te badania wykonane zostały w wyłącznie jednej temperaturze (inne temperatury dotyczyły ciśnienia atmosferycznego), chcielibyśmy sprawdzić, jak badane układy będą zachowywały się w niższych temperaturach. Dodatkowo chcielibyśmy sprawdzić wpływ ekspozycji innej płaszczyzny krystalograficznej niż obecnie badana tzw. basal plane (0001).
Posiadając już wstępne wyniki, zaobserwowaliśmy dodatkowe problemy, które są w naszym mniemaniu godne uwagi, lecz na obecny moment nie posiadamy wystarczających zasobów obliczeniowych. Pierwszym z nich jest dość znane zjawisko, w którym homogeniczna nukleacja lodu Ih następuje w taki sposób, że zawsze formują się tzw. stacking hybrids, tj. naprzemiennie występujące biwarstwy lodu Ih w kierunku krystalograficznym (0001) oraz lodu Ic w kierunku (111). Stosunek ilości obu form alotropowych zależy od warunków termodynamicznych. Dotychczas jednak nie znaleźliśmy danych literaturowych dotyczących badania tego zjawiska dla przechłodzonej wody wraz ze wzrostem ciśnienia.
Kolejnym tematem, którym chcielibyśmy się zająć, byłoby sprawdzenie występowania możliwych powierzchniowych przejść fazowych lodu w kontakcie z powierzchniami o różnej hydrofilowości. Przemiany takie były dość obszernie badane na granicy faz ciało stałe-gaz, w związku z tym chcielibyśmy określić, czy są one uniwersalnymi zjawiskami.
Biorąc pod uwagę powyżej wymienione tematy, oszacowany czas realizacji tego projektu wynosi minimum 12 miesięcy. Do Katedry Chemii Teoretycznej UMCS przynależy niewielki klaster obliczeniowy, na którym testowaliśmy wydajność planowanych obliczeń dynamiki molekularnej wykonanych pakietem LAMMPS, skompilowanym na kompilatorze Intela. Obliczenia testowe wykonane zostały dla 15360 cząstek wody symulowanej dla modelu TIP4P/Ice na maszynie posiadającej 2 procesory Intel(R) Xeon(R) Platinum 8358 CPU @ 2.60GHz i 512 GB RAM. Szacujemy, że dla jednego zestawu danych potrzebujemy wykonać symulacje trwające przynajmniej 100 ns, co na posiadanych przez nas maszynach (128 rdzeni) trwało ok. 125 godzin, co daje nam 16 000 rdzeniogodzin (ang. core-hours). Spodziewamy się, że dla każdego z trzech wymienionych wyżej problemów będziemy potrzebowali wykonać przynajmniej 30 takich symulacji, co daje nam ok. 1,5 mln rdzeniogodzin. Jest to wartość zdecydowanie przewyższająca dostępne przez nas zasoby.