氨 (NH 3 ) 是一種具有多種應用的重要分子。它是著名的哈伯-博世工藝的最終產品，通常被合成以捕獲肥料中的氮，并用于制冷、清潔產品和藥品生產。最近，這種不起眼的分子也引起了人們的興趣，作為解決當今最緊迫的挑戰之一——對可靠和豐富的可再生燃料的需求——的潛在資源。

氨是穩定的，處理安全，可燃，并且含有除純氫本身之外的所有分子中最大比例的氫。這些因素有望使其成為推動氣候變化的碳基能源載體的可行替代品。例如，研究已經開始探索如何使用氨直接為發動機、燃氣輪機和氫燃料電池提供動力。人們還認為，當風能和太陽能等其他可再生能源無法滿足需求時，氨可以用來儲存能源。

人們對氨了解很多，但人們對將其用作燃料的興趣引發了對新氨技術的探索。這反過來又導致化學工程師對描述氨基本熱力學性質的準確數據的需求增加。這些特性包括各種可測量的特性，例如相平衡、密度或熱容，它們表征物理系統并確定化學過程如何工作。就氨而言，工程師還希望更好地了解氨與其他分子混合時這些特性如何變化。這些知識可以幫助他們優化流程和操作條件。

Jadran Vrabec 博士現任柏林工業大學過程科學研究所所長，他職業生涯的大部分時間都在使用高性能計算 (HPC) 來研究分子水平的熱力學性質。 “熱力學性質 100% 由分子相互作用決定，”他解釋道。 “而且由于這些相互作用發生得如此之快且規模如此之小，因此只能通過使用超級計算機進行大型模擬來研究它們。”

在最近發表在《化學與工程數據雜志》上的一篇論文中，他和柏林工業大學的合著者 Erich Mace 報告了重點關注含氨混合物熱力學性質的模擬結果。他們的結果使用斯圖加特高性能計算中心 (HLRS) 的 Hawk 超級計算機生成，添加了有價值的數據，可以支持氨新應用的開發。結果還可以幫助評估其他現有數據的準確性，確保工程師擁有使用該物質的最佳可用信息。

大規模模擬提供了對熱力學性質的獨特見解

Vrabec 是用于分子動力學和蒙特卡羅模擬的 HLRS 超級計算資源的長期用戶。他的方法依賴于熱力學概念，這些概念最初由 Ludwig Boltzmann 在 19 世紀提出，但直到 20 世紀 50 年代隨著第一臺計算機的出現才變得實際應用。從那時起，該領域與更大、更快的超級計算機的發展同步發展，以至于 Vrabec 的模擬現在可以同時跟蹤數十億甚至數萬億個分子的單獨運動和相互作用。使用他的實驗室開發的軟件來選擇性地捕獲感興趣的數據，然后他可以研究分子的熱力學性質。

Vrabec 使用兩種名為 ms2 和 ls1 的模擬代碼，這是他在與 HLRS 工作人員 Martin Bernreuther 和 Christoph Niethammer 長期且富有成效的合作過程中開發和優化的。 2019 年，該團隊甚至創下了使用分子動力學方法模擬的最大分子系統的世界紀錄。使用 ls1，他們有效地將代碼擴展到包含 21 萬億個原子的系統，其中每個分子及其與其他分子的相互作用都可以被跟蹤。

在最近關于氨的研究中，Mace 和 Vrabec 使用 ms2 進行了分子動力學和蒙特卡羅模擬，以研究化學工程過程中涉及氨的五種常用混合物：氬-氨、甲烷-氨、氫-氨、氮-氨和氧氣-氨。對于每種混合物，模擬生成的數據描述了汽液平衡(VLE)——在廣泛的溫度和壓力范圍內，系統中分子在汽相或液相中的分布的測量。 Mace 和 Vrabec 在他們的論文中指出，VLE 數據經常用于開發工業流體的狀態方程;也就是說，這些數據可用于預測由于溫度、壓力、體積或成分的變化而導致的不同物理條件下的物質狀態。這些信息對于確定工業應用中的最佳混合物和工作條件至關重要。

弗拉貝克的分子模擬特別有價值，因為它們可以用來研究比使用實驗方法更廣泛的尺度。 “在我們的模擬中，我們甚至提供了高達 50 兆帕壓力的熱力學特性測量。這是我們周圍氣壓的 500 倍。”Vrabec 說道。 “盡管氨混合物的數據已經收集了一個多世紀，但數據覆蓋范圍卻出人意料地狹窄。原因是通過實驗測量它的工作量巨大。它需要昂貴的特殊設備，操作起來很危險。在計算機模擬中，我們可以安全且相對便宜地獲得結果。”在實驗數據可用的范圍內，他的方法還提供了與實驗方法相當的準確性。

氨研究的更好數據

當 Mace 和 Vrabec 分析他們的模擬數據時，他們發現雖然氨是他們研究的所有五個系統的組成部分，但對于不同的分子混合物，所得的 VLE 值圖表看起來截然不同。 Vrabec 表示：“不同混合物的相行為很大程度上取決于系統中分子之間的相互作用。如果您對氨混合物感興趣，您需要了解這些特性。”

該論文及其補充數據為他們研究的每種混合物提供了 400 多個新數據點。使用 Hawk，他們能夠在短短幾天的計算時間內得出每種混合物的結果。對于幾乎沒有可用數據的極端、難以研究的條件，這些結果將具有特別的價值，并且可以幫助工程師確定最適合高效氨處理的最佳條件。

該研究包括新的模擬數據和之前發布的科學文獻數據，使 Mace 和 Vrabec 能夠將其結果與其他現有的 VLE 值數據集進行比較。在大多數情況下，他們的結果與之前的研究結果非常吻合。然而，在某些情況下，他們發現自己的結果與其他研究小組通過實驗得出的測量和預測之間存在顯著差異。作者將這些差異歸因于相應實驗方法的局限性或不準確性。他們還建議在未來的研究或化學工程應用中應謹慎使用特定的實驗數據源。

弗拉貝克說，在最近的工作中，他主要關注模擬分子系統的熱力學性質，通常是在亞微米尺度上。盡管這個規模和可觀察過程的水平之間存在許多數量級，但存在準確的方法可以將這些分子水平的見解轉化為有用的現實世界預測。然而，隨著超級計算機變得越來越大，他預計不僅可以模擬屬性，還可以使用接近現實應用的邊界條件來模擬熱力學過程。提高 HPC 性能可以產生更準確的動態現象結果，并具有更好的信噪比。

但與此同時，他的團隊的結果證明了使用高性能計算進行分子動力學和蒙特卡羅模擬的價值，并將提供對相行為的新理解，工程師可以利用這些新知識來開發新的基于氨的技術。