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Científicos de Microsoft, ETH Zurich y el Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico han presentado recientemente un nuevo flujo de trabajo automatizado para aprovechar la escala de Azure para transformar los procesos de I+D en química cuántica y ciencia de materiales. Al optimizar el código de simulación y refactorizarlo para que sea nativo de la nube, el equipo logró una aceleración de 30 veces y una reducción de costos de 10 veces para la simulación de una reacción química catalítica. Además, estas poderosas capacidades de automatización liberan a los científicos de navegar por una red compleja de paquetes heterogéneos de hardware y software, lo que les permite concentrarse en el desarrollo de nuevos productos, como la producción sostenible de fertilizantes, pinturas y recubrimientos más ecológicos, nuevos métodos para la fijación de carbono. , y muchos otros.
Resolver los desafíos más complejos y apremiantes del mundo requiere avances significativos en las ciencias químicas y de los materiales.
Predecir la síntesis química y los procesos catalíticos es un esfuerzo clave en química, pero también se presenta como uno de los desafíos más apremiantes de la ciencia. Las reacciones ocurren en un espacio químico muy complicado. Es casi imposible identificar los mecanismos integrales de las reacciones químicas solo a través de experimentos de laboratorio. La simulación por computadora proporciona una ruta alternativa y complementaria para dilucidar los mecanismos de reacción, pero el tiempo humano involucrado hasta la fecha ha sido tan alto que los investigadores solo han podido considerar algunas vías de reacción clave que generalmente ignoran las reacciones secundarias cruciales en un entorno convencional. Esto se debe a que el modelado de reacciones requiere intuición química y prueba y error manual, y la simulación precisa del sistema modelado se volverá intratable cuando las reacciones se consideren en profundidad, incluidas todas las opciones posibles.
Esta realidad es lo que motiva todos los días al equipo de Azure Quantum a construir una máquina cuántica totalmente escalable. Dado que la mecánica cuántica explica la naturaleza y el comportamiento de la materia a nivel atómico, las computadoras cuánticas serán inherentemente capaces de comprender y predecir las complejidades de la naturaleza. Mientras avanzamos hacia esta visión, simultáneamente ayudamos a los innovadores a acelerar el progreso en la ciencia química y de materiales hoy con nuevos flujos de trabajo que aprovechan la investigación de vanguardia y el poder de Computación de alto rendimiento de Azure (HPC).
Presentamos AutoRXN para la exploración de reacciones automatizada
AutoRXN es un nuevo flujo de trabajo automatizado diseñado para permitir a los científicos explorar redes de reacción virtualmente utilizando HPC en la nube de Azure. Con este avance, descubrir y evaluar reacciones químicas se vuelve extraordinariamente más accesible en la nube, lo que a su vez permitirá a las organizaciones transformar sus procesos de I+D y acelerar el desarrollo de nuevos productos. Con el flujo de trabajo AutoRXN, los científicos pueden ampliar la cantidad de vías de reacción química exploradas de docenas a miles de configuraciones con una precisión superior a la convencional. El caballo de batalla central detrás de la orquestación de AuthoRXN es el software de exploración de redes químicas Chemoton desarrollado por nuestros colaboradores en ETH Zurich. Hemos adaptado las simulaciones químicas que se utilizan hoy en día para que sean nativas de la nube para el hardware moderno y la topología de red en los centros de datos de Azure, lo que garantiza la autonomía, la estabilidad y la mínima interferencia del operador en todos los componentes del flujo de trabajo.
Esta automatización permitió la investigación descrita en nuestro artículo reciente, donde lo aplicamos para estudiar los mecanismos de un catalizador de hidrogenación asimétrica. El flujo de trabajo de AutoRXN lleva a cabo una gran cantidad de cálculos químicos cuánticos comparativamente económicos para la exploración, refina automáticamente los resultados obtenidos por una gran cantidad de costosos cálculos ab initio correlacionados y automatiza la recopilación y evaluación de datos, incluida la verificación retrospectiva de los resultados mediante una simulación alternativa. enfoques. El equipo ha podido orquestar cálculos de química computacional de alta precisión a una velocidad sin precedentes, lo cual es fundamental para tareas de alto rendimiento.
El flujo de trabajo AutoRXN abre una nueva vía de modelado y comprensión de las reacciones químicas donde se pueden encontrar y estudiar muchas reacciones secundarias para informar el rendimiento real de los catalizadores. La exploración analiza los mecanismos de reacción esperados y revela la reactividad general de diferentes átomos y grupos funcionales en el catalizador, lo que permite mejorar el catalizador.
Ya hemos identificado más de quinientas reacciones y más de dos mil pasos elementales que revelan una descripción completa de la reacción de hidrogenación asimétrica catalizada por complejos de hierro. Esto está mucho más allá del alcance del modelado de reacción manual convencional, ya que muchas reacciones secundarias y degradaciones de catalizadores no pueden ser capturadas por la intuición de un químico hoy en día. Aprovechar la heterogeneidad del hardware moderno en Azure hace que el proceso sea mucho más rápido y rentable. Los resultados de las simulaciones nos ayudan a comprender la reactividad de un catalizador y aceleran la I+D en nuevos y emocionantes descubrimientos en ciencia química y de materiales.
Exploración de las reacciones catalíticas en Informática de alto rendimiento de Azure proporciona a los investigadores una plataforma robusta y confiable para simulaciones de materiales y química a hiperescala sin tener que construir físicamente el sistema y la infraestructura.
Comience su camino hacia la innovación acelerada hoy
Se estima que la química toca directamente más del 96 por ciento de todos los productos manufacturados.1 Eso significa que la oportunidad para que las organizaciones hagan nuevos descubrimientos químicos y de ciencia de los materiales para resolver los problemas más difíciles de la sociedad y generar un nuevo crecimiento es tremenda. Están surgiendo nuevas tecnologías y metodologías como AutoRXN a partir de los avances en la computación en la nube y la química computacional. La innovación en las capacidades y la automatización de la nube permite una escalabilidad y una heterogeneidad de hardware sin precedentes, y la profunda colaboración entre la industria y la investigación académica está fomentando el desarrollo de códigos y metodologías de simulación optimizados para la nube. Estas tecnologías han avanzado la química computacional a una etapa en la que puede resolver los problemas desafiantes en los que los científicos han estado trabajando durante décadas.
Estamos emocionados de ver cómo los innovadores aprovechan la hiperescala de la nube hoy y una máquina cuántica escalada en el futuro para descubrir nuevos materiales para resolver los problemas aparentemente irresolubles de hoy y lanzar la próxima ola de progreso tecnológico y social.
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Ver la publicación: Exploración de mecanismos de reacción ab initio de alto rendimiento en la nube con validación automatizada de múltiples referencias.
Explora los beneficios de Informática de alto rendimiento de Azure en las nubes.
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