根據(jù)今天在《自然納米技術(shù)》期刊上發(fā)布的一篇論文，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了一種新現(xiàn)象，能夠使碳納米管在特定條件下大幅提高濾水效率并降低成本，同時(shí)減少環(huán)境的影響。
研究人員通過IBM創(chuàng)建的一臺虛擬超級計(jì)算機(jī)對納米管這一在眾多技術(shù)領(lǐng)域展現(xiàn)巨大潛力的材料進(jìn)行了研究?；贗BM 這臺超級計(jì)算機(jī)的平臺，可聚合由志愿者們貢獻(xiàn)的計(jì)算設(shè)備閑置處理能力，即利用公益眾籌計(jì)算力，以支持科學(xué)家進(jìn)行尖端的模擬計(jì)算。
碳納米管 —— 一種采用類似于鉛筆石墨的材料制成的微小的空心結(jié)構(gòu)體，其體積非常小，因此可以濾除水流中的雜質(zhì)。科學(xué)界最初認(rèn)為，其狹窄的直徑會減緩水流的速度。驚人的是，早期的實(shí)驗(yàn)表明，水在流經(jīng)納米管時(shí)，沒有像預(yù)想的那樣被阻礙。
為了了解原因，由清華大學(xué)科學(xué)家領(lǐng)導(dǎo)的一支國際研究團(tuán)隊(duì)開展了一項(xiàng)史無前例的大規(guī)模計(jì)算模擬研究，并得到了 IBM全球網(wǎng)格大同盟(WCG, World Community Grid)的支持?？茖W(xué)界之前進(jìn)行的模擬難以對實(shí)際水流速率進(jìn)行研究，因?yàn)檫@需要成本更加高昂的計(jì)算力。
新的模擬實(shí)驗(yàn)使用了IBM全球網(wǎng)格大同盟巨大的計(jì)算力，揭示了在特定條件下，納米管中原子的自然、隨機(jī)熱振動(dòng)可能對水流產(chǎn)生顯著的影響。研究人員發(fā)現(xiàn)，由于摩擦減少，這些被稱為聲子的振動(dòng)可將水分?jǐn)U散的速度增強(qiáng) 300% 以上。
由北京清華大學(xué)微納米力學(xué)與多學(xué)科交叉創(chuàng)新研究中心 (CNMM) 領(lǐng)導(dǎo)的研究人員使用IBM全球網(wǎng)格大同盟貢獻(xiàn)的眾籌計(jì)算能力進(jìn)行了大量的模擬。世界公共網(wǎng)格計(jì)算擁有 300 萬臺互連的計(jì)算機(jī)，它們來自全球70多萬名“公民科學(xué)家”志愿者。IBM 為清水計(jì)算項(xiàng)目提供的支持公益眾籌計(jì)算的虛擬超級計(jì)算機(jī)執(zhí)行了近 1 億次計(jì)算，如果使用商業(yè)計(jì)算機(jī)執(zhí)行這些計(jì)算，則成本相當(dāng)于1500萬美元，并且需要一臺單處理器計(jì)算機(jī)運(yùn)行3萬7千多年。但現(xiàn)在，科學(xué)家們只用小部分時(shí)間就以零成本完成了這項(xiàng)工作。
憑借對該現(xiàn)象的新的認(rèn)識，研究人員現(xiàn)在希望優(yōu)化納米管并將它們運(yùn)用于改進(jìn)濾水和海水脫鹽系統(tǒng)。隨著全球淡水儲備量的日益減少，經(jīng)過改進(jìn)、成本更低的純化工藝可以幫助人們獲得飲用水和灌溉用水。目前全球近10億人缺少安全的飲用水。
對這一現(xiàn)象的這一新的理解還能讓我們更好地了解化學(xué)品和藥品是如何穿過人體細(xì)胞壁上的微小通道，從而帶來醫(yī)學(xué)上的進(jìn)步。通過進(jìn)一步的研究，我們還可將這些發(fā)現(xiàn)用于改進(jìn)淡水和鹽水混合發(fā)電技術(shù)，即Osmotic Power 。
為這一重要研究作出貢獻(xiàn)的國際協(xié)作者包括清華大學(xué)、倫敦大學(xué)學(xué)院、特拉維夫大學(xué)、日內(nèi)瓦大學(xué)、悉尼大學(xué)、莫那什大學(xué)以及西安交通大學(xué)的研究人員。
北京清華大學(xué)微納米力學(xué)與多學(xué)科交叉創(chuàng)新研究中心主任鄭泉水表示：“在我們的項(xiàng)目以前，碳納米管中水流的模擬只能在是高度仿真的高速流動(dòng)條件下進(jìn)行。正是憑借IBM全球網(wǎng)格大同盟的助力，清水計(jì)算項(xiàng)目才能得以模擬每秒只有幾厘米的流速，而這才是真實(shí)的納米管過濾器中的運(yùn)行條件。
IBM全球網(wǎng)格大同盟由IBM設(shè)計(jì)和管理，運(yùn)行在IBM可靠、穩(wěn)定的SoftLayer云技術(shù)平臺上，使用全球大量志愿者捐贈(zèng)的計(jì)算機(jī)和移動(dòng)設(shè)備的閑置時(shí)間，為科學(xué)家提供大量免費(fèi)的計(jì)算力。IBM WCG軟件接收小型運(yùn)算任務(wù)，完成任務(wù)后將結(jié)果發(fā)回給科學(xué)家。世界公共網(wǎng)格計(jì)算提供的這一綜合計(jì)算力已創(chuàng)造出地球上最強(qiáng)大、最快速的虛擬超級計(jì)算機(jī)之一，將科學(xué)工作推進(jìn)了數(shù)百年。
過去十年里，全球約70萬人和80個(gè)國家的460所院校提供的300多萬臺計(jì)算機(jī)和移動(dòng)設(shè)備為WCG的重要項(xiàng)目提供了虛擬的超級計(jì)算力。自該計(jì)劃開展以來，世界公共網(wǎng)格計(jì)算已支持了近20多個(gè)重要的研究項(xiàng)目，為科學(xué)研究貢獻(xiàn)了超過100萬年、價(jià)值4億美元的計(jì)算時(shí)間，并且推動(dòng)了癌癥研究、艾滋病治療、基因重組、太陽能和生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)等各領(lǐng)域的重大科學(xué)進(jìn)步。目前已完成了超過24億項(xiàng)研究任務(wù);每天處理的新任務(wù)數(shù)超過150萬項(xiàng)。
IBM 邀請研究人員提交研究項(xiàng)目計(jì)劃書以獲得這一免費(fèi)資源，并邀請公眾貢獻(xiàn)自己閑置的計(jì)算力。網(wǎng)址：worldcommunitygrid.org
IBM全球網(wǎng)格大同盟通過伯克利開放式網(wǎng)絡(luò)計(jì)算平臺 (BOINC) 運(yùn)行，這是一個(gè)由加州大學(xué)柏克利分校在美國國家科學(xué)基金會(National Science Foundation)的支持下所開發(fā)的一個(gè)開源平臺。