106年11月20日星期一

直接模擬蒙地卡羅法在高速稀薄氣體流場的應用

文、圖/ 國立交通大學機械系 吳宗信教授 / 博士班羅明忠

在現代前瞻科技的研究領域當中,稀薄氣體動力學扮演著非常關鍵的角色,其中包括:極音速流體力學、真空泵技術、低壓半導體相關材料製程,以及微米或奈米尺度的氣動力學等。能夠描述稀薄氣體流動行為的波茲曼方程式,是非常難以求解的,而直接模擬蒙地卡羅法(DSMC)是一種粒子模擬的方法,在統計上,只要足夠大的模擬分子數量,數學上已證明是等同求解波茲曼方程式。然而,它的計算量通常是非常高的,尤其是在過渡流以及接近連續流的區域。因此,為了有效應用於稀薄氣體流場,藉由DSMC的平行處理,以減少計算時間,是不可或缺的。
國立交通大學氣熱與電漿物理實驗室(Aerothermal & Plasma Physics Laboratory, APPL)利用自主研發超過十年的DSMC平行模擬程式PDSC ,進行歐洲太空返回實驗艙EXPERT (European eXPErimental Re-entry Test-bed)的流場模擬。模擬結果,包括流場密度、溫度、馬赫數與物體表面壓力、熱通量等相關分佈情形,將可提供未來太空載具研發的基礎資料庫或分析能量。由於DSMC 模擬計算量相當龐大,在此非常感謝國網中心所提供的計算資源及技術諮詢,讓相關的研究能順利進行。

深度轉錄體分析發現未知的肝癌基因體特徵

文、圖 / 陽明大學生物醫學資訊研究所 黃奇英教授


基因體泛指細胞內三大成員之首的DNA(去氧核醣核酸)與RNA(核醣核酸),其次為蛋白質以及醣類。細胞核內的DNA通常被認為是生命之書,而RNA則泛指所有從DNA上所節錄出來的指令訊息,也就是生命的訊息,掌管了細胞內所有可能發生的事件,例如產生細胞所需的蛋白質。過去由於科技的限制,使得基因體研究只能著眼於約2%或是更小的DNA區段,但隨著次世代定序技術的推出,更完整以及更多面向的RNA轉錄體資訊,擴大了生物醫學研究的範疇。國立陽明大學的團隊致力於分析次世代定序技術所產生的肝癌RNA定序資料,過程中運用國網中心的超級電腦協助Terabytes等級的運算分析,終於搶在競爭激烈的全球生物醫學研究者前面,發現一個全新的RNA基因,並命名為DUNQU1(遁去的一)。這個研究不僅拓展了傳統對於癌症基因體的定義,也為難纏的肝癌提供了新的基因體特徵以及可能的治療標的,此研究成果已經發表於國際頂尖期刊Oncogene。
為蛋白質加冕—利用冠狀醚分子調控蛋白質表面特性

文、圖/中央研究院 李政忠博士、Manuel Maestre-Reyna博士、王惠鈞院士

蛋白質分子在生醫或者化學領域上具有高度的應用潛力,卻常因其生化特性及作用機制不易掌握,而造成應用上的困難,蛋白質結構解析提供了一個良好的研究平台以了解蛋白質特性。蛋白質的結構鑑定主要是透過「X光蛋白質晶體繞射技術」(X-ray crystallography),也就是蛋白質必須先長成晶體,才能進行結構解析。為了突破蛋白質晶體長成的瓶頸,王惠鈞院士領導的研究團隊發現冠狀醚分子可和多種蛋白質表面結合,產生蛋白質與冠狀醚複合物 (protein-crown ether complexes),利用國網中心的超級電腦,進行水溶液中蛋白質與冠狀醚複合物的電腦模擬,了解兩者於水溶液中的結合狀態,進而利用此複合物較蛋白質單體容易形成規律性鍵結與排列的特性,克服蛋白質分子結晶的困難。此研究成果不但成為蛋白結晶學之重要技術,也為生物蛋白質的應用帶來新的契機。該成果發表於國際期刊「應用化學」(Angewandte Chemie)。

銅氧超導中的非均勻態

文、圖/ 中研院物理所所長 李定國

在高溫超導體的研究中一直以來大家所關注的就是其超導背後的機制,我們原本希望從實驗的觀測能帶我們更進一步窺知一二;可惜的是,實驗的結果顯示出在不同的參雜濃度下可以發現很多不同的非均勻態存在,使得部分科學家們猜測是否銅氧超導背後不像傳統超導一樣能用清楚的BCS模型(超導的微觀理論)來描述,而此研究便是希望證明即使有許多非均勻態的存在,他們仍然有相同的起源,也就是電子的強關聯交互作用;我們利用了重整化後的t-J模型(強關聯電子系統的統計模型)做平均場的對角化計算,發現即便有許多非均勻態存在,(a)圖即為其中一種可能的非均勻態在實空間下的圖像,而他們的能量仍然相當接近,也就是說在實驗的微觀尺度下觀察發現了許多的非均勻態本來就是必然的結果,因為他們的能量都已經退化為非常相近;除此之外,我們還發現了某些非均勻態內含的對稱性跟實驗的數據吻合,(b)圖揭示了在(a)圖的分布下,其內含的對稱性在傅立葉轉換下的結果,而這使我們能更有信心相信t-J模型的可靠性;未來便是朝解開在進入超導相位前的pseudogap為目標,希望能對高溫超導的機制能更進一步了解。
醇胺分子捕捉CO2的反應模擬

文、圖/ 國立台灣師範大學 蔡明剛教授

降低大氣中的CO2濃度是解決當前溫室效應一個關鍵課題。醇胺類分子(例如:乙醇胺HO-CH2CH2-NH2) 在過去的應用上顯示出針對CO2高選擇性的特性,但其受熱後易裂解的缺點,阻礙此種液相捕捉CO2技術發展。在本次研究中,利用國網中心御風者超級電腦優越的運算能力,以第一原理的演算方法模擬CO2在液相中與醇胺分子進行親核反應的過程;且從符合工業化學製造上的流程的角度,設計修改醇胺分子的結構,以提升其捕捉CO2的能力。最後再由分子動力學印證,呈現出分子設計修改前後其捕捉CO2效果的差異。此次的發現,對於化學合成的分子設計上,提供一個可靠的參考依據;對於實驗上近一步量化分析醇胺類分子的CO2捕捉效能,也提出一個值得參考的方向。

Seawater Temp. (-43.6 m)

EHTW 氣候模式

文、圖 / 國立中興大學環境工程系 莊秉潔教授


EHTW (European Hamburg TaiWan)氣候模式(Earth System Model, ESM)是由本土學者合作開發之完全耦合海洋模式;不同於傳統使用耦合器。國際間尚未有作業單位每日進行中長期(如:45天)大氣、海洋及水文場之預報, 亦未聽聞有研究單位正進行如此之實驗,因此中長期海洋、大氣及水文世界預報系統之建置,在國際間應是很有指標性的工作。此模式建立全台氣候平均地下水觀測 水位資料庫與土壤含水率模組、建立區域尺度系集預報系統,及耦合WRF-Noah 氣象預報系統以及台灣當地所開發的地表水文模組,藉此亦提升45 天預報系統之核心技術。

國網中心平台提供國際合作舞台與世界頂尖單位接軌,例如:NOAA/Princeton GFDL 實驗室林先建博士High Resolution Atmospheric Model (HIRAM)、美國NCAR曾于恒教授;國內合作研究團隊,例如:中研院許晃雄教授研究群、氣象局、台灣大學、中央大學、文化大學、雲林科大等;中興大 學跨系所合作,例如:資科所、應用數學所、土木所、景觀與遊憩學程等;並與國網中心環境實驗室、大影像處理研究團隊進行大數據(Big data)相關產品開發。沒有國網中心,就沒有此合作的平台。

偶聯式蛋白質抗體藥物


偶聯式蛋白質抗體藥物

文、圖/ 高雄醫學大學 王焰增教授


隨著醫學的進步,人類越來越長壽,也面臨許多身體疾病的問題,因此藥物研發日益受到關注。其中偶聯式蛋白質抗體藥物(Antibody-Drug Conjugates: ADCs)即常用於治療嚴重疾病的標靶藥物,例如癌症等相關疾病。ADCs藥物目前有兩個嚴重的缺點:(1)ADCs藥物可能附著在正常細胞上,並會造成 正常細胞嚴重的傷害;(2) ADCs藥物與特定細胞結合後,整個ADCs複合物必須被特定細胞內噬,隨後藥物必須在特定的ADCs蛋白質酶催化,才能從ADCs中釋放並開始毒殺特定 細胞。但這種內噬過程的效率不高,常造成ASCs藥物效能不彰。國際間很多研究機構皆積極研發,以Centrose公司為例,正在開發一種偶聯式蛋白質抗體藥物(Antibody-Drug Conjugates,ADCs),該公司並將該種藥物命名為偶聯式細胞外藥物(Extracellular Drug Conjugates: EDCs)。

EDCs與ADCs功能非常相似,EDCs為單一克隆(clone)蛋白質抗體藥物,EDCs會與特定類型的細胞進行結合,如腫瘤細胞。與ADCs最大的 不同點,EDCs並不會被特定類型的細胞當成外來物並將其分解或內噬,相反地,EDCs可以完美偽裝成細胞表面的作用蛋白,並大大降低特定類型的細胞的抗 藥性。目前Centrose公司所開發的EDCs藥物僅能毒殺疾病特定階段的細胞,該公司未來預期可以使用EDCs技術開發出治療胰腺癌等非常難醫治的相 關疾病。希望未來透由抗癌新藥的不斷研發,可以使更多的患者受惠,並得到妥善的治療。

說明:
[1] 標靶藥物-- 即指能精準命中目標的藥物。
[2] 特定階段的細胞-- Centrose公司尚未說明為哪一個EDCs細胞週期。細胞週期(Cell cycle)是一連串有規律的步驟,使細胞成長,而後分裂為兩個子細胞。細胞週期可分為細胞生長期和有絲分裂期。細胞生長期(間期)可分成三個時期: (1)第一間期(Gap 1 (G1) phase):是細胞生長的時期,此時細胞代謝活化,複製所需胞器以及一些細胞質的組成,以供下一階段複製染色體使用;(2)合成期(Synthesis (S) phase):DNA進行複製的時期;(3)第二間期(Gap 2 (G2) phase):此時細胞已具有兩倍的遺傳物質,並為有絲分裂期做準備。接著進入分裂期(Mitosis (M) phase),進行核裂(染色體分離)和質裂(細胞質分裂)的階段。另外還有個G0 phase,為細胞離開細胞週期並且停止分裂的時期。

超細鈀奈米管具有良好儲氫特性

文、圖/ 國立中山大學 朱訓鵬教授


在奈米材料製造技術的突飛猛進下顛覆了許多以往人們對於材料特性的觀點。由於在奈米尺度下,許多的材料特性與在巨觀材料(bulk material)中所觀察到的現象已經不同,在過去研究發現,本來不具活性的材料,在奈米尺度下,結構具有良好的催化活性,在能源科技應用上扮演了重要 角色,許多研究發現當奈米粒子吸附在奈米薄膜基板或者是奈米管上會對氫分子有更好的吸附效果以提升儲氫的效能。因此利用模擬方法預測與分析各種奈米結構之 特性,是本實驗室近年來的主要研究目標。

國立中山大學分子工程實驗室利用量子計算模擬氫分子在超細鈀奈米管上的吸附性質,研究成果發現其具有很好的儲氫特性,此研究成果提升鈀奈米管在能源工業上的 應用性,並且發表於「Journal of Materials Chemistry」國際期刊上,由於量子力學模擬計算量龐大,計算上需耗費很長時間,透過國網中心的計算資源,使得我們模擬計算所需的時間 大幅降低,進而提升研究效率,使我們順利完成研究。論文全文

21世紀末全球暖化情況




氣候變遷研究在台灣

文、圖/ 中央研究院環境變遷研究中心 許晃雄研究員、國家高速網路與計算中心 沈澄宇博士


甚麼是氣候變遷?氣候變遷是指地球氣候長時間內的整體改變,它攸關各國永續發展和人類物種的存續。氣候變遷對海島型氣候的台灣影響尤巨,例如因氣候變遷造成 短延時、強降雨(即每小時降雨量超過100毫米)事件頻傳,進而導致淹水、土石流等災害的發生。因此如何借助電腦模擬了解全球氣候變遷對台灣的影響,從而 減低相關災害的發生,則為當務之急。

從2011年中開始,以中央研究院環境變遷研究中心為核心,結合台灣大學、中央大學、台灣師範大學等大學的研究人員,組成氣候變遷研究聯盟,以五年為期,建 立台灣氣候變遷模擬與詮釋所需的關鍵能力。氣候變遷研究聯盟的主要目標如下:(1) 開發國內氣候模式的建構能力,發展可以自行研發改進的氣候系統模式,提供學研界進行氣候變異與變遷研究;(2) 利用模式評估研判氣候變遷對東亞氣候與季風、台灣極端天氣(如颱風、豪雨、乾旱等)的可能衝擊。

欲進行氣候變遷推估,需利用多種不同情境的模擬結果以分析研究,然則對於地形高聳、水文複雜的台灣而言,模式資料的時空間解析度需求極高,因此需要大量的運 算資源與儲存空間以支持氣候變遷研究。透過國網中心提供的計算資源及技術諮詢,不僅將模擬時所選用的空間解析度由100 km X 100 km提高至23 km X 23km,且所需的運算時間更大幅縮短至原有的一半,節省超過一半以上的時間,對氣候變遷數值模擬的效益甚大。

QCD真空中的量子漲落


QCD真空中的量子漲落

文、圖/ 國立台灣大學物理系 趙挺偉教授


了解量子色動力學真空(QCD vacuum,以下稱QCD真空)對現今物理學與天文學裡最具挑戰性的問題有著巨大的影響。量子色動力學(QCD)是描述夸克(quarks)與膠子 (gluons)之間交互作用的基礎理論,它提供理論架構讓物理學家可從其第一原理(first principles)進一步了解核作用力與核能量,而且它在早期宇宙的演變中扮演很重要的角色。利用國網中心的超級電腦,研究者已計算出迄 今最實際可行的QCD真空中量子漲落(quantum fluctuations)模擬。藉由與主要實驗室資料比較,物理學家對於次原子中強子作用的關鍵特徵,將得到新的看法。同時,這也引領他們尋找新的想法 來了解早期宇宙是如何從夸克膠子電漿態轉換成強子態。

為了能模擬QCD真空中的量子漲落,研究人員用的是由台灣大學趙挺偉教授及其研究團隊所發展出來的DWFQCD程式碼。利用具有最佳手徵對稱 (optimal chiral symmetry)的格點費米子(lattice fermion),此程式碼透過量子色動力學的第一原理,模擬了夸克與膠子的量子漲落。DWFQCD是屬於非常計算密集型(computational intensive)的程式碼,它達到了計算方法的極限並需要最快的超級電腦來執行。趙教授的研究團隊自2009年以來,利用Nvidia GPU提供的巨量浮點計算能力,並且藉由位在台大物理系與國網中心的GPU叢集,來模擬具動態夸克的量子色動力學。研究人員在國網中心的Formosa- 5 GPU叢集執行了最先進的格點量子色動力學模擬,其中包含了夸克(u,d,s,c)及膠子的量子漲落,並提供研究者動態規範場組態(dynamical gauge configurations)以進一步了解強子物理以及早期宇宙的基本科學。這大部份歸功於DWFQCD這程式碼裡具有世界上最精準的手徵對稱,能攫取 夸克最基本的特性。

利用這些動態規範場組態,研究者可以計算夸克矩陣的低本徵態(low-lying eigenmodes)來探討QCD真空中的物理,因為這些本徵態帶有重要資訊來回答非常關鍵的問題―質子如何透過QCD真空的自發性手徵對稱破壞獲得質 量,以及早期宇宙在什麼溫度時手徵對稱會恢復。為了能實現這些研究,國網中心的ALPS超級電腦扮演著重要角色,它提供了一個大尺度的計算平台讓物理學家 計算出夸克矩陣的低本徵態。

十二分之一反應爐心的計算-1

十二分之一反應爐心的計算

文、圖/ 國立清華大學 錢景常教授


氣冷式超高溫反應器(VHTR) 的發展一直是下一代核電廠很重要的一個選項,所以持續有許多針對此反應器之流場與溫度場設計的研究,尤其一些事故後爐心熱流現象的分析在現今核安要求高漲 的時期更顯得格外重要。然而任何爐心事故後的分析都必須以事故前正常運作的狀況為準,而模擬爐心正常運作狀況的正確性又根據許多反應器關鍵的設計參數。本 研究以bypass flow的現象為依據來探討爐心正常運作的狀況並驗證計算的合理性,並進一步對冷卻流喪失補充事故(LOFA) 進行分析。從最小的單一通道逐漸擴大至1/12爐心之子域進行計算,確保1/12爐心的子域已經過局部驗證,能獲得較可信的計算結果。

研 究發現爐心自然對流狀態的分析明顯受model中幾何外型與功率分部的影響,需要使用更大更全面的範圍來分析。本研究也同時利用局部與整體的對稱假設,提 供一在有限電腦資源下較大的模擬範圍,並獲得爐心較詳細的自然對流強度與熱傳資訊。最後直接使用局部驗證過的1/12爐心model,成功計算了更完整且 更符合實際情況之自然對流現象。針對LOFA事故後狀況的分析,大型的1/12爐心計算則更顯得重要。此計算成果得助於國網中心超級電腦的反覆驗證,透過 國網中心的超級電腦讓本研究中複雜的計算工作由每個case需要一、二年的時間大幅縮短到兩個月左右。即便如此,我們整個研究工作也超過一年才完成,換言 之,若無國網中心的超級電腦絕不會有機會進行這樣大型的CFD模擬!論文全文


分子模擬技術在有機太陽能電池應用

文、圖/ 中研院應科中心 包淳偉研究員


太陽能電池是一種藉由光電效應將光能轉化為直流電的元件,一般太陽能電池所使用的核心材料是半導體材料,由於人們對於電子元件的輕薄需求及環境議題的影響, 促使得有機太陽能電池的發展,其擁有價格低廉、可攜及可撓等優點,因此可應用與掛載在不同的零件上,提供電力需求。有機太陽能電池是成分全部或部分為有機 物的太陽能電池,他們使用了導電聚合物或小分子用於光的吸收和電荷轉移。通過改變聚合物等分子的長度和官能團可以改變有機分子的能隙,有機物的摩爾消光係 數很高,使得少量的有機物就可以吸收大量的光。目前有機高分子太陽能之光電轉換率已經超過10%,然而,由於高分子電子供體材料分子量控制不易,使得生產 出來的電池效率不一,對於產品商業化有極為不利的影響。以小分子取代高分子作為電子供體材料,電子受體仍使用碳60或碳70衍生物。由於小分子在合成過程 中分子尺度精確度遠較高分子為高,因此太陽能電池品質較為平均,產品商業化問題較小。

中研院應科中心及清大材料系的實驗團隊合作模擬小分子有機太陽能電池之溶劑退火與真空蒸鍍製程,本成果藉由分子模擬技術直接模擬小分子有機太陽能電池在真空 蒸鍍與溶劑製程下的主動層結構,從而幫助實驗團隊最佳化製備條件以製備效率更高之有機太陽能電池。目前已成功研究出如何提高蒸乾與蒸鍍有機光電薄膜成長效 率之參數,並找到獲得比較好的微結構的參數。其所研究的參數成果將可直接改善與提高有機光電材料之發光效率。

對於目前國內正值蓬勃發展的太陽能產業將有直接幫助之可能。有別於個人實驗室所架設的電腦叢集系統,本研究成果配合國網中心的ALPS高速計算叢集有效突破 過去在傳統全原子分子模擬之系統大小限制,從而能夠與實驗結果進行更直接的比對。並獲得實驗上沒辦法看到之全貌,並提高了研究論文之質與量。目前已發表在 Energy & Environmental Science (I.F.= 9.61 )與JPCC(I.F.= 4.805 )等高質量期刊。論文全文1 2

在鉑原子團簇附著的氮化鎵表面上進行水分解反應的計算模型


尋找合適光催化水分解反應的光觸媒材料

文、圖/ 中央研究院原子與分子科學研究所 郭哲來研究員


逼近的全球石油短缺危機促使了人們積極地尋找可以替代石油的再生能源資源。其中在學界普遍認定的可能解決方案之一,是利用光觸媒吸收陽光的能量使得水被分解 產生氫氣而將太陽能轉化成化學能。因此科學家為了尋找最有效的光催化水分解系統,在許多的實驗研究與理論模擬中嘗試了不同的光觸媒與助催化劑組合。然而近 數十年來科學家經歷了許多的嘗試與錯誤後,整體的太陽能轉換效率依舊有許多可以提升的空間。

科學家們認為了解其中的反應機制與原理,對於設計穩定與高效率的太陽能轉化系統十分重要;然而實際上在許多的實驗中並沒有辦法有效觀察到原子尺度的詳細機制與細節。另一方面,理論計算模擬卻可以幫助我們了解到反應整個過程中發生了甚麼反應、變化,包含了電荷轉移、反應能量壁壘、能態密度等。現今的平行計算效 能提升使得建立接近實驗條件的複雜理論計算模型越來越可行。其中關於水分解與氫氣生產的機制,便是郭哲來博士團隊所感興趣的研究方向之一,同時也試著探索 合適的光觸媒與助催化劑材料。已經做了水吸附於氮化鎵極性與非極性表面的相關研究以及氮化鎵參雜氧化鋅對水吸附的影響。可以在郭哲來博士的研究網站找到更多的相關研究訊息。

在國網中心的支持下,郭哲來博士研究團隊在2012到2013年之間使用了超過兩千萬的計算時數以完成了許多工作。複雜平行計算模型中有的使用多達512個處理器。將繼續使用國網中心的優良設施進行研究。

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