Reakcje chemiczne leżą u podstaw wszystkiego, co dzieje się we Wszechświecie. Od fuzji termojądrowej, która napędza Słońce, po to, jak antybiotyki pomagają zwalczać zapalenie płuc, wszystko zależy od tego, co dzieje się, gdy cząsteczki zderzają się i oddziałują ze sobą, tworząc nowe związki.

Chemik Ernesto García, pracujący na Uniwersytecie Kraju Basków w Vitorii (Hiszpania), poświęcił swoją karierę akademicką zrozumieniu reakcji chemicznych z perspektywy teoretycznej. „Moim głównym celem naukowym jest dokładne obliczanie wydajności procesów molekularnych, w których cząsteczki zderzają się, reagując, dysocjując, wymieniając energię i deformując się”, mówi García.

García tworzy modele obliczeniowe do opisywania reakcji, które są ważne dla badania zjawisk naturalnych lub procesów przemysłowych. Posiadanie dobrych modeli teoretycznych do przewidywania zachowania cząsteczek oznacza, że symulacje będą realistyczne i przydatne do rozwiązywania problemów badawczych w świecie rzeczywistym.

Dokładne modele zderzeń molekularnych uwzględniają wiele rodzajów parametrów (na przykład energie kinetyczne, kształt cząsteczek, właściwości termiczne). García używa programu o nazwie Grid Empowered Molecular Simulator (GEMS), aby usprawnić pracę obliczeniową.

GEMS został opracowany przez zespół Antonio Laganà z Uniwersytetu w Perugii we Włoszech i jest zasilany przez zasoby High-Throughput Compute udostępnione przez CompChem Virtual Organisation.

W ciągu ostatnich czterech lat García pracował w projektach z zakresu astronomii, chemii stosowanej i nauk atmosferycznych. Złożył około 2,5 miliona zadań na łączną liczbę 31 milionów godzin pracy procesora i opublikował osiem prac w recenzowanych czasopismach oraz wiele wyników oczekujących na publikację.

GEMS w akcji

Ewolucja chemiczna obłoków międzygwiazdowych

Obłoki międzygwiazdowe to amalgamaty gazu, plazmy i pyłu rozproszone po Wszechświecie. W pracy Rampino et al. 2016, Garcia i jego zespół przyjrzeli się, jak temperatura wpływa na ich ewolucję chemiczną.

Zespół modelował powstawanie C2+ (jonu z wiązaniem chemicznym pomiędzy atomami węgla, a więc prekursora dłuższych łańcuchów węglowodorowych) z jednego atomu węgla i rodnika metyloidynowego, CH+ (wszechobecnego w całej przestrzeni międzygwiazdowej) i odkrył coś zaskakującego: jego tempa powstawania w obłokach międzygwiazdowych różnią się o kilka rzędów wielkości od wartości używanych w obecnych modelach astronomicznych.

Modelowanie plazmy azotowej

W Esposito et al. 2017 zespół modelował plazmy azotowe, takie jak te, które otaczają statki kosmiczne, gdy wchodzą w atmosferę Ziemi lub Tytana. W takich warunkach temperatura może sięgać dziesiątek tysięcy stopni.

Dzięki siatce EGI możliwe było obliczenie indukowanej zderzeniami szybkości dysocjacji cząsteczek azotu w kilku wibracyjnych stanach wzbudzonych poprzez zderzenia zarówno z atomami azotu, jak i cząsteczkami azotu.

.