استخدم باحثون من مختبر أوك ريدج الوطني التابع لوزارة الطاقة الأمريكية الحاسوب العملاق Summit لإجراء محاكاة ديناميكية جزيئية واسعة النطاق وعالية الدقة لدور واجهة الماء والهواء في التفاعلات الكيميائية. كشفت هذه الدراسة عن كيفية تحكم الماء في التفاعلات الكيميائية من خلال الاقتران الديناميكي مع الجزيئات المتفاعلة، مقدمة منظورًا جديدًا لتطوير طرق لتسريع التفاعلات الكيميائية على الواجهات.

ركز فريق البحث على تفاعل S N 2 (تفاعل استبدال نووي ثنائي الجزيء)، وهو أحد آليات التفاعل الشائعة في الكيمياء، والفيزياء، والبيولوجيا، والكيمياء الجوية. على سبيل المثال، يلعب تفاعل S N 2 دورًا مهمًا في تصنيع الأدوية، مثل إنتاج Ibuprofen.

أظهرت نتائج المحاكاة أن سحب الجزيئات المتفاعلة من بيئة الماء الداخلية إلى موقع أقرب إلى سطح الماء يمكن أن يسرع التفاعلات الكيميائية بين الماء والهواء. يرجع ذلك إلى تقليل الاقتران الديناميكي بين الماء وهذه الجزيئات، مما يسمح للتفاعل الكيميائي بالتقدم بتدخل أقل.

وأوضح العالم سانتانو روي (Santanu Roy) من مختبر أوك ريدج الوطني: "كلما زاد اقتران جزيئات الماء، زاد التأثير المعيق للتفاعل. إذا تمكنا من تقليل هذا الاقتران الديناميكي، يمكننا زيادة معدل التفاعل. تُظهر دراستنا أنه من خلال تعديل بيئة الواجهة، يمكننا التحكم في هذا الاقتران، وبالتالي التحكم في معدل التفاعل."

استخدم فريق البحث كود CP2K مفتوح المصدر على الحاسوب العملاق Summit لمحاكاة مسارات التفاعل الجزيئي، وقاموا بتحليل ديناميكي لهذه المسارات لتشكيل خريطة توزيع الطاقة لهذه العملية.

علاوة على ذلك، محاكاة جذب الجزيئات النشطة السطحية المشحونة إيجابيًا للأحماض الأمينية المشحونة سلبيًا أكدت زيادة في معدل التفاعل بنسبة 10% إلى 15%. هذا الاكتشاف يكشف أيضًا عن الدور المعقد للماء في آليات التفاعل الكيميائي.