CAREER: Large Scale Simulations Enabled Materials Engineering for Heterogeneous Ice Nucleation

职业:大规模模拟支持异质冰核材料工程

基本信息

  • 批准号:
    2224643
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 50.38万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    美国
  • 项目类别:
    Standard Grant
  • 财政年份:
    2021
  • 资助国家:
    美国
  • 起止时间:
    2021-10-01 至 2023-08-31
  • 项目状态:
    已结题

项目摘要

PI: Sarupria, Sapna Proposal Number: 1653352 Institution: Clemson University Title: CAREER: Large Scale Simulations Enabled Materials Engineering for Heterogeneous Ice Nucleation Understanding and controlling ice nucleation is an important problem with numerous potential applications in the food, transportation, and energy generation industries. The goal of this proposal is to develop an integrated approach combining molecular simulations and data analysis to enable the high-throughput screening of materials that modulate ice nucleation. The project will focus on two systems, one involving ice nucleation on self-assembled monolayers, and the second ice-nucleating proteins. The proposed approach is based on the hypothesis that there are characteristic signatures of a material's ice nucleating propensity within the interfacial water properties. The project aims to identify those signatures and formulate molecular descriptors that accelerate ice nucleation. The goal of the proposed education plan is to use an integrated approach to improve the understanding of the multidisciplinary field of computational materials science by graduate and undergraduate students. The proposed activities include a hackathon formulated in the context of computational materials science simulation challenges and a molLego touch-screen game (similar to Lego) aimed at constructing nanoscale materials in a visual learning environment.The proposed research plan aims to understand the thermodynamics and kinetics of ice nucleation near self-assembled monolayers and ice-nucleating proteins. Computational tools developed in the PI?s group speed up sampling of nucleation events by more than a factor of 20 compared to traditional Molecular Dynamics simulations, thereby enabling studies of ice nucleation near surfaces. The plan is to analyze the extensive dataset of nucleation events, free energy landscapes, and interfacial water properties to identify the key signatures that indicate the ice-nucleating propensity of a surface. Based on knowledge of the key signatures, high-throughput screening of the surface nucleating propensity will be performed using membrane-based surfaces. The proposed research will potentially lead to computationally efficient cost-effective techniques for screening materials for ice nucleation propensity.
PI:Sarupria,Sapna 提案编号:1653352 机构:克莱姆森大学 标题:职业:大规模模拟支持异质冰成核材料工程 了解和控制冰成核是一个重要问题,在食品、运输和能源发电行业具有众多潜在应用。该提案的目标是开发一种结合分子模拟和数据分析的综合方法,以实现调节冰成核的材料的高通量筛选。该项目将重点研究两个系统,一个涉及自组装单分子层上的冰成核,第二个涉及冰成核蛋白质。所提出的方法基于这样的假设:在界面水性质中存在材料的冰成核倾向的特征特征。该项目旨在识别这些特征并制定加速冰成核的分子描述符。拟议教育计划的目标是采用综合方法提高研究生和本科生对计算材料科学多学科领域的理解。拟议的活动包括在计算材料科学模拟挑战的背景下制定的黑客马拉松和旨在在视觉学习环境中构建纳米级材料的 molLego 触摸屏游戏(类似于乐高)。拟议的研究计划旨在了解热力学和动力学自组装单分子层和冰成核蛋白附近的冰成核。与传统的分子动力学模拟相比,PI 团队开发的计算工具将成核事件的采样速度提高了 20 倍以上,从而能够研究表面附近的冰成核。该计划是分析成核事件、自由能景观和界面水性质的广泛数据集,以确定表明表面冰成核倾向的关键特征。基于关键特征的知识,将使用基于膜的表面进行表面成核倾向的高通量筛选。拟议的研究将有可能带来计算效率高、成本效益高的技术,用于筛选材料的冰成核倾向。

项目成果

期刊论文数量(2)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(0)
Practical guide to replica exchange transition interface sampling and forward flux sampling
副本交换转换接口采样和正向通量采样实用指南
  • DOI:
    10.1063/5.0080053
  • 发表时间:
    2022-05
  • 期刊:
  • 影响因子:
    0
  • 作者:
    Hall, Steven W.;Díaz Leines, Grisell;Sarupria, Sapna;Rogal, Jutta
  • 通讯作者:
    Rogal, Jutta
Machine learning for molecular simulations of crystal nucleation and growth
用于晶体成核和生长的分子模拟的机器学习
  • DOI:
    10.1557/s43577-022-00407-1
  • 发表时间:
    2022-09-01
  • 期刊:
  • 影响因子:
    5
  • 作者:
    Sapna Sarupria;Steven W Hall;J. Rogal
  • 通讯作者:
    J. Rogal
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