基本介紹
- 中文名：清水計算
- 外文名：Computing for Clean Water
項目概述,項目狀態和成果,方法,項目詳細信息,加壓過濾,納米技術,迄今為止的案例,如何實現-WCG 與BOINC,研究參與者,
項目概述
項目狀態和成果
基於清水計算所得結果的首篇文章已經發表在國際物理學界一流、主流期刊 Physical Review E（物理學評論E）上。
研究結果可能預示著在反滲透膜技術上，在能源消耗 — 水產量上存在一個最優值。
方法
通常，碳納米管的孔徑極其微小，通常只有某些水分子能夠穿過，並且需要非常大的壓力，因此，需要昂貴的設備來過濾有用的水量。然而，在 2005 年，實驗證明此類碳納米管陣列實現的水流速度大幅超過期望值。這一意外結果激發了許多科學家的熱情，使他們投入大量精力來研究推動碳納米管水流的底層過程。
該項目使用大規模的分子動力學計算 - 模擬個別水分民頌酷故子通過碳納米管的運動 - 以便更深入地了解碳納米管中的水流機制。例如，已經形成了一個推論 - 水分子與碳納米管的直接接觸的行為是否像冰一樣。這種行為可以減少水的其餘部分的摩擦力院祖宙，從而提高流速。逼真的計算機模擬是驗證此類假定的一種方法。
最終，科學家們希望使用從模擬獲得的深入洞察來最佳化底層過程，從而大幅加快水通過碳納米管和其他納米多孔材料的速度。此最佳化過程將能夠使水流更順暢，同時過濾掉污染騙踏拳物。模擬可能還會揭示在哪些條件下此類過濾裝置能夠最有效地幫助淡化過程。
項目詳細信息
World Community Grid 與清華大學最近成立的“微納力學與多學科交叉創新研究中心”的研究人員一起研究新型高效、廉價水過濾材料的分子級別特性，這可能有助於滿足開發中國家或地區的低價、清潔的飲用水需求。
清水貴如油，作為有限資源，水資源在過去數十年間經常被浪費，而目前的生產成本則日益提高。在全球許多地區，清潔的水源（尤其是地下水）正在以驚人的速度耗盡。隨著地球人口的增長，這一情況只會惡化，並且可能因氣候變化而加劇。
根據《經濟學人》期刊有關水資源的最新專門報告，到 2050 年，生活在長期缺水的國家或地區的人員比例將從 21 世紀的 8% 劇增到 45%，也就是說將有 40 億人缺水。
儘管每個在校學生都知道地球主要由水覆蓋，但超過 97% 的都是鹽水，需要昂貴的淡化過程才能轉化為飲用水。非鹽水大約占 3%，其中 70% 是南北極的冰山。因此，除了海洋生命，地球上的所有動物都必須依賴不足 1% 的地球可用水生存。
在世界上缺水的地區，以及人口高密度地區，缺乏清水已成為痢疾等疾病的主要來源，而這又會導致營養不良。而且兒童營養不良很可能導致終身健康問題，影響人們的勞動能力。據估計，在某些國家或地區痢疾的長期影響可能會損失 4-5% 的 GDP。
因此，大量科學家正在將他們的注意力轉到如何從被污染的水或鹽水中生成清潔的飲用水。水淨化通常包括幾個步驟，基於物理（沙過濾）、化學（氯化）或者甚至是生物（處理池）等方法。
加壓過濾
常見類型的水淨化系統依賴於對水加壓，以強制使水通過具有微孔的薄膜。這稱為超濾膜，用於過濾掉可以通過較大的沙過濾裝置的溶解物質。
這種原理也套用於稱為反滲透的過程，可用於從鹽水生成清水。反滲透需要外部機械壓力來抵消半滲透膜的滲透壓力，此壓力阻止鹽分通過。在缺少外部壓力的情況下，隔膜一側的高壓清水和另一側的低壓鹽水保持平衡。
反滲透通常需要數十個大氣壓以打破此平衡並保持新鮮的水流通過隔膜。生成此類高壓以及能夠抵擋它們的隔膜的成本都非常高。這部分說明了為何反滲透在全球飲用水生成中僅占據非常小的比例。
納米技術
納米技術是和電子、可再生能源和醫療診斷一樣，是業界的流行語。而碳納米管主要是積累常見的石墨原子戶侷促層（鉛筆中使用的材料），是納米科技最有前途的材料之一。
納米科技的一項最重要的特徵是，當將常見物體和碑芝設備臘煮雄烏的大小縮微至原子級別時，很多屬性都無法簡單地從巨觀和微觀級別進行推斷，而是屬性發生了根本變化並且通常是非常有用的方式。這種情況也適用於通過碳納米管陣列的水流。
通常，隨著超濾膜孔徑的縮小，通過小孔的水流速度也會降低。實際上，速率下降非常明顯，大概是孔半徑的四次冪：孔徑縮小一半，水流下降至 1/16。
但是，美國肯塔基大學的研究人員在 2005 年首次發布的成果表明，對於通過由殼趨譽碳納米管制成的隔膜的水流，不會出現這一情況。實際上，測得的流速是從大孔徑簡單推論的流速的 1000 到 10000 倍。
這一顯著增強意味著所需的壓力可大幅減小，因此推動水通過碳納米管制成的過濾器所需的能源也相應降低。多位研究人員已在進行這方面的調查，並嘗試通過此方式製造新型的低成本、高效率的過濾裝置。
從發現到製造出實際設備的過程總是非常漫長的。並且，此方法的一個重要步驟是更深入地了解碳納米管這種增強的行為的物理原理，以便能夠加以更好地利用。這正好是清華大學“微納力學中心”的研究重點，他們使用稱為分子動力學的技術，採用計算機模擬來研究單個水分子級別的現象。
迄今為止的案例
早在 1823 年，法國物理學家和工程師 Claude-Louis Navier 就提出，在理想條件下，僅需非常小的力（剪應力）即可使液體流過固體表面。換句話說，流動基本上無摩擦力。這一想法從未得到完全驗證，但是最新觀察到的通過碳納米管膜的加快的水流，使人想到此效果可能以某些形式在這些系統中發揮作用。
使用分子動力學模擬，清華大學的研究人員最近通過發現，碳納米管中的剪應力和水速之間存在對數關係，這似乎在有關碳納米管屬性的廣泛假定範圍內都有效，而水可能會粘住它們 - 這稱為水/碳納米管接口的潤濕屬性。
這種對數關係似乎在滑流速度下降至約 1 米/秒仍保持存在，而這是可模擬的下限。如果這種關係在更低的速度下仍然保持存在，即使用碳納米管過濾裝置的實驗實際情況，那么將提供非常重要的線索，來查明為何水通過碳納米管的速度如此快。
然而，清華大學研究小組的低速邊界是任何分子動力學研究目前所能實現的下限，這仍遠遠高於實驗流速範圍精度的上限，並且比可以使用這種效果的實用設備的預期流速高出幾個數量級。
如何實現-WCG 與BOINC
因為計算時間約與流速的平方成反比，因此清華大學的研究人員估計一台裝有單核處理器的典型台式計算機要用 460 年才能模擬實驗可度量的流速上限。為使模擬擴展至速度約 1 厘米/秒或更低，那么典型的實用設備需要 400 倍或更多的計算時間，也就是 184000 年。並且，要模擬碳納米管孔徑的典型範圍將需要 10 到 100 倍的時間，這導致總計算時間超過 100 萬年。
按照科學方法，必須研究這一低速區域，以便將模擬與實驗進行比較，而不是簡單地嘗試從高速模擬進行推論。此類推論具有明顯問題，因為在低速時可能會發生非線性現象。例如，隨著速度的降低，在固體摩擦上出現沾滑現象，而這可能在與碳納米管直接接觸的水層中扮演重要角色，因為水在接近碳納米管表面時會變為類似於凍的方式。
由於進行此項研究需要非常龐大的計算資源，這遠遠超過了清華大學團隊自己的計算機集群的能力，因此 World Community Grid 以及和您一樣的志願者們可以發揮重要作用，為研究人員貢獻原本需要從其他方面獲得的更為強大的計算能力。
該項目的成果使我們不僅能夠測試 Navier 的推測，因此對納米級別的流體力學貢獻基礎知識，而且還能夠深入了解如何進一步最佳化液體流經碳納米管隔膜和其他形態的納米級別隔膜的方式。
清華大學的團隊非常期望更好地真正了解最適合流速的最佳孔徑，這將指導以後高效碳納米管過濾器隔膜的合成和製作，並且提供新方法來生成廉價的水過濾系統。
研究參與者
參與“清水計算”的機構團體遍及世界各地。位於北京的清華大學“微納力學與多學科交叉創新研究中心”的研究團隊領導這些工作，Quanshui Zheng 教授是首席研究員。
“清水計算”團隊的成員包括：
- Quanshui Zheng，CNMM，中國北京清華大學
- Zhiping Xu，CNMM，中國北京清華大學
- Ming Ma，CNMM，中國北京清華大學
- Wei Xiong，CNMM，中國北京清華大學
- Josef Ellingsen,，CNMM，中國北京清華大學
- Francois Grey，CNMM，中國北京清華大學，瑞士日內瓦，Citizen Cyberscience Centre
協作人員：
- Zhong Zhang，中國北京，中國科學院，國家納米科學中心
- Luming Shen，澳大利亞悉尼大學，土木工程學院
- Jefferson Zhe Liu，澳大利亞 University of Monash，機械工程學院
因此，大量科學家正在將他們的注意力轉到如何從被污染的水或鹽水中生成清潔的飲用水。水淨化通常包括幾個步驟，基於物理（沙過濾）、化學（氯化）或者甚至是生物（處理池）等方法。
加壓過濾
常見類型的水淨化系統依賴於對水加壓，以強制使水通過具有微孔的薄膜。這稱為超濾膜，用於過濾掉可以通過較大的沙過濾裝置的溶解物質。
這種原理也套用於稱為反滲透的過程，可用於從鹽水生成清水。反滲透需要外部機械壓力來抵消半滲透膜的滲透壓力，此壓力阻止鹽分通過。在缺少外部壓力的情況下，隔膜一側的高壓清水和另一側的低壓鹽水保持平衡。
反滲透通常需要數十個大氣壓以打破此平衡並保持新鮮的水流通過隔膜。生成此類高壓以及能夠抵擋它們的隔膜的成本都非常高。這部分說明了為何反滲透在全球飲用水生成中僅占據非常小的比例。
納米技術
納米技術是和電子、可再生能源和醫療診斷一樣，是業界的流行語。而碳納米管主要是積累常見的石墨原子層（鉛筆中使用的材料），是納米科技最有前途的材料之一。
納米科技的一項最重要的特徵是，當將常見物體和設備的大小縮微至原子級別時，很多屬性都無法簡單地從巨觀和微觀級別進行推斷，而是屬性發生了根本變化並且通常是非常有用的方式。這種情況也適用於通過碳納米管陣列的水流。
通常，隨著超濾膜孔徑的縮小，通過小孔的水流速度也會降低。實際上，速率下降非常明顯，大概是孔半徑的四次冪：孔徑縮小一半，水流下降至 1/16。
但是，美國肯塔基大學的研究人員在 2005 年首次發布的成果表明，對於通過由碳納米管制成的隔膜的水流，不會出現這一情況。實際上，測得的流速是從大孔徑簡單推論的流速的 1000 到 10000 倍。
這一顯著增強意味著所需的壓力可大幅減小，因此推動水通過碳納米管制成的過濾器所需的能源也相應降低。多位研究人員已在進行這方面的調查，並嘗試通過此方式製造新型的低成本、高效率的過濾裝置。
從發現到製造出實際設備的過程總是非常漫長的。並且，此方法的一個重要步驟是更深入地了解碳納米管這種增強的行為的物理原理，以便能夠加以更好地利用。這正好是清華大學“微納力學中心”的研究重點，他們使用稱為分子動力學的技術，採用計算機模擬來研究單個水分子級別的現象。
迄今為止的案例
早在 1823 年，法國物理學家和工程師 Claude-Louis Navier 就提出，在理想條件下，僅需非常小的力（剪應力）即可使液體流過固體表面。換句話說，流動基本上無摩擦力。這一想法從未得到完全驗證，但是最新觀察到的通過碳納米管膜的加快的水流，使人想到此效果可能以某些形式在這些系統中發揮作用。
使用分子動力學模擬，清華大學的研究人員最近通過發現，碳納米管中的剪應力和水速之間存在對數關係，這似乎在有關碳納米管屬性的廣泛假定範圍內都有效，而水可能會粘住它們 - 這稱為水/碳納米管接口的潤濕屬性。
這種對數關係似乎在滑流速度下降至約 1 米/秒仍保持存在，而這是可模擬的下限。如果這種關係在更低的速度下仍然保持存在，即使用碳納米管過濾裝置的實驗實際情況，那么將提供非常重要的線索，來查明為何水通過碳納米管的速度如此快。
然而，清華大學研究小組的低速邊界是任何分子動力學研究目前所能實現的下限，這仍遠遠高於實驗流速範圍精度的上限，並且比可以使用這種效果的實用設備的預期流速高出幾個數量級。
如何實現-WCG 與BOINC
因為計算時間約與流速的平方成反比，因此清華大學的研究人員估計一台裝有單核處理器的典型台式計算機要用 460 年才能模擬實驗可度量的流速上限。為使模擬擴展至速度約 1 厘米/秒或更低，那么典型的實用設備需要 400 倍或更多的計算時間，也就是 184000 年。並且，要模擬碳納米管孔徑的典型範圍將需要 10 到 100 倍的時間，這導致總計算時間超過 100 萬年。
按照科學方法，必須研究這一低速區域，以便將模擬與實驗進行比較，而不是簡單地嘗試從高速模擬進行推論。此類推論具有明顯問題，因為在低速時可能會發生非線性現象。例如，隨著速度的降低，在固體摩擦上出現沾滑現象，而這可能在與碳納米管直接接觸的水層中扮演重要角色，因為水在接近碳納米管表面時會變為類似於凍的方式。
由於進行此項研究需要非常龐大的計算資源，這遠遠超過了清華大學團隊自己的計算機集群的能力，因此 World Community Grid 以及和您一樣的志願者們可以發揮重要作用，為研究人員貢獻原本需要從其他方面獲得的更為強大的計算能力。
該項目的成果使我們不僅能夠測試 Navier 的推測，因此對納米級別的流體力學貢獻基礎知識，而且還能夠深入了解如何進一步最佳化液體流經碳納米管隔膜和其他形態的納米級別隔膜的方式。
清華大學的團隊非常期望更好地真正了解最適合流速的最佳孔徑，這將指導以後高效碳納米管過濾器隔膜的合成和製作，並且提供新方法來生成廉價的水過濾系統。
研究參與者
參與“清水計算”的機構團體遍及世界各地。位於北京的清華大學“微納力學與多學科交叉創新研究中心”的研究團隊領導這些工作，Quanshui Zheng 教授是首席研究員。
“清水計算”團隊的成員包括：
- Quanshui Zheng，CNMM，中國北京清華大學
- Zhiping Xu，CNMM，中國北京清華大學
- Ming Ma，CNMM，中國北京清華大學
- Wei Xiong，CNMM，中國北京清華大學
- Josef Ellingsen,，CNMM，中國北京清華大學
- Francois Grey，CNMM，中國北京清華大學，瑞士日內瓦，Citizen Cyberscience Centre
協作人員：
- Zhong Zhang，中國北京，中國科學院，國家納米科學中心
- Luming Shen，澳大利亞悉尼大學，土木工程學院
- Jefferson Zhe Liu，澳大利亞 University of Monash，機械工程學院
