氨(NH3)是一种具有多种应用的重要分子。它是著名的哈伯-博世工艺的最终产品，通常被合成以捕获肥料中的氮，并用于制冷、清洁产品和药品生产。最近，这种不起眼的分子作为解决当今最紧迫的挑战之一(对可靠和丰富的可再生燃料的需求)的潜在资源也引起了人们的兴趣。

氨稳定、处理安全、可燃，并且在除纯氢本身之外的任何分子中含有最大比例的氢。这些因素有望使其成为推动气候变化的碳基能源载体的可行替代品。例如，研究已经开始探索如何使用氨直接为发动机、燃气轮机和氢燃料电池提供动力。人们还认为，当风能和太阳能等其他可再生能源无法满足需求时，氨可以用来储存能源。

人们对氨了解很多，但人们对将其用作燃料的兴趣引发了对新氨技术的探索。这反过来又导致化学工程师对描述氨基本热力学性质的准确数据的需求增加。这些特性包括各种可测量的特性，例如相平衡、密度或热容，它们表征物理系统并确定化学过程如何工作。就氨而言，工程师还希望更好地了解氨与其他分子混合时这些特性如何变化。这些知识可以帮助他们优化流程和操作条件。

JadranVrabec博士现任柏林工业大学过程科学研究所所长，他职业生涯的大部分时间都在使用高性能计算(HPC)来研究分子水平的热力学性质。“热力学性质100%由分子相互作用决定，”他解释道。“而且由于这些相互作用发生得如此之快且规模如此之小，因此只能通过使用超级计算机进行大型模拟来研究它们。”

在最近发表在《化学与工程数据杂志》上的一篇论文中，他和柏林工业大学的合著者ErichMace报告了重点关注含氨混合物热力学性质的模拟结果。他们的结果使用斯图加特高性能计算中心(HLRS)的Hawk超级计算机生成，添加了有价值的数据，可以支持氨新应用的开发。结果还可以帮助评估其他现有数据的准确性，确保工程师拥有使用该物质的最佳可用信息。

大规模模拟提供了对热力学性质的独特见解

Vrabec是用于分子动力学和蒙特卡罗模拟的HLRS超级计算资源的长期用户。他的方法依赖于路德维希·玻尔兹曼(LudwigBoltzmann)在19世纪首次提出的热力学概念，但直到20世纪50年代随着第一台计算机的出现才开始实际应用。从那时起，该领域与更大、更快的超级计算机的发展同步发展，以至于Vrabec的模拟现在可以同时跟踪数十亿甚至数万亿个分子的单独运动和相互作用。使用他的实验室开发的软件来选择性地捕获感兴趣的数据，然后他可以研究分子的热力学性质。

Vrabec使用两种名为ms2和ls1的模拟代码，这是他在与HLRS工作人员MartinBernreuther和ChristophNiethammer长期且富有成效的合作过程中开发和优化的。2019年，该团队甚至创下了使用分子动力学方法模拟的最大分子系统的世界纪录。使用ls1，他们有效地将代码扩展到包含21万亿个原子的系统，其中每个分子及其与其他分子的相互作用都可以被跟踪。

在最近关于氨的研究中，Mace和Vrabec使用ms2进行了分子动力学和蒙特卡罗模拟，以研究化学工程过程中涉及氨的五种常用混合物：氩-氨、甲烷-氨、氢-氨、氮-氨和氧气-氨。对于每种混合物，模拟生成的数据描述了汽液平衡(VLE)——在广泛的温度和压力范围内，系统中分子在汽相或液相中的分布的测量。

Mace和Vrabec在他们的论文中指出，VLE数据经常用于开发工业流体的状态方程;也就是说，这些数据可用于预测由于温度、压力、体积或成分的变化而导致的不同物理条件下的物质状态。这些信息对于确定工业应用中的最佳混合物和工作条件至关重要。

弗拉贝克的分子模拟特别有价值，因为它们可以用来研究比使用实验方法更广泛的尺度。

“在我们的模拟中，我们甚至提供了高达50兆帕压力的热力学特性测量。这是我们环境气压的500倍，”Vrabec说道。“尽管氨混合物的数据已经收集了一个多世纪，但数据覆盖范围却出人意料地狭窄。原因是实验测量它的工作量巨大。这需要昂贵的特殊设备，操作起来很危险。通过计算机模拟，我们可以安全且相对便宜地获得结果。”在实验数据可用的范围内，他的方法还提供了与实验方法相当的准确性。

氨研究的更好数据

当Mace和Vrabec分析他们的模拟数据时，他们发现虽然氨是他们研究的所有五个系统的组成部分，但对于不同的分子混合物，所得的VLE值图表看起来截然不同。Vrabec表示，“不同混合物的相行为很大程度上取决于系统中分子之间的相互作用。如果您对氨混合物的研究感兴趣，您需要了解这些特性。”

该论文及其补充数据为他们研究的每种混合物提供了400多个新数据点。使用Hawk，他们能够在短短几天的计算时间内得出每种混合物的结果。对于几乎没有可用数据的极端、难以研究的条件，这些结果将具有特别的价值，并且可以帮助工程师确定最适合高效氨处理的最佳条件。

该研究包括新的模拟数据和之前发布的科学文献数据，使Mace和Vrabec能够将他们的结果与其他现有的VLE值数据集进行比较。在大多数情况下，他们的结果与之前的研究结果非常吻合。然而，在某些情况下，他们发现自己的结果与其他研究小组通过实验得出的测量和预测之间存在显着差异。作者将这些差异归因于相应实验方法的局限性或不准确性。他们还建议在未来的研究或化学工程应用中应谨慎使用特定的实验数据源。

弗拉贝克说，在最近的工作中，他主要关注模拟分子系统的热力学性质，通常是在亚微米尺度上。尽管这个规模和可观察过程的水平之间存在许多数量级，但存在准确的方法可以将这些分子水平的见解转化为有用的现实世界预测。

然而，随着超级计算机变得越来越大，他预计不仅可以模拟属性，还可以使用接近现实应用的边界条件来模拟热力学过程。提高HPC性能可以产生更准确的动态现象结果，并具有更好的信噪比。

但与此同时，他的团队的结果证明了使用高性能计算进行分子动力学和蒙特卡罗模拟的价值，并将提供对相行为的新理解，工程师可以利用这些新知识来开发新的基于氨的技术。