2021-03-26
膜材料是近年来广受关注的纳米材料之一，在气体分离、海水淡化等研究领域具有潜在的工业应用前景。实验科学家已经合成出成百上千种气体分离膜材料，然而受限于纳米尺度下的实验表征技术，混合气体在膜材料中的分离机制尚不清晰。
国家超级计算深圳中心博士后戴中洋参与了一项利用动态蒙特卡洛模拟揭示膜材料分离机制的相关研究，成果发表在知名学术期刊《Journal of Chemical Information and Modeling》（中科院SCI分区计算信息学一区）上。研究论文以“Separation Selectivity of CH4/CO2 Gas Mixtures in the ZIF‑8 Membrane Explored by Dynamic Monte Carlo Simulations（采用动态蒙特卡洛方法解释甲烷/二氧化碳混合气体在ZIF-8膜中的分离选择性问题）”为题，从分子层面揭示了甲烷/二氧化碳混合气体在ZIF-8膜中的密度分布和分离选择性，为设计高效的气体分离膜材料提供了理论指导。
戴中洋博士和合作者一道，通过超级计算机构建、修正分子势能图谱，简化气体与膜材料之间的相互作用力的计算，有效解释了文献中报导的实验结果，发现了气体分离膜的关键作用区域，进一步研究了气体组分、温度、压力对气体分离膜性能的影响，有助于实验工作者从理论上理解膜分离机制。
实验上合成气体分离膜材料仍处于手动尝试阶段，而传统的理论模拟方法能够计算的气体分离膜厚度在10 纳米以下，与实验存在较大的差距，难以有效的解释实验现象。
本论文通过超级计算机快速构建气体与膜材料之间的势能图谱，避免了相互作用力的复杂计算过程，从而显著加快了计算模拟过程。使用该方法，能够有效模拟甲烷/二氧化碳混合气体在实验膜厚尺度中的分离过程，其理论计算结果与实验结果一致。研究团队发现在ZIF-8膜表面，混合气体具有密度曲线和选择性曲线的层峰振荡现象，从而揭示出气体分离的关键控制区域，进而研究了温度、压力、气体组分对分离膜性能的影响，计算出ZIF-8膜在压力范围为1个大气压至40个大气压，温度范围为零下25摄氏度至150摄氏度条件下的气体分离性能，为实验设计高效的膜分离材料提供了理论支撑。
大规模计算在该项研究中发挥了重要的作用。该课题的一个重要创新点是通过构建势能图谱提升计算效率。势能图谱是通过海量的数据进行拟合修正得到的，普通的计算机难以完成此项工作。研究团队利用超算平台完成了势能图谱的构建，进而开展相关的研究工作。
原文链接：
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.jcim.0c00114?fig=tgr1&ref=pdf&
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