特拉维夫大学和清华大学的研究人员本需耗费3.7万年才能计算出碳纳米管是如何从流水中过滤杂质的,但多亏了可让世界各地数万计算机用户贡献自己处理能力的众包计算平台,这个计算过程如今只用了约一年的时间。

“众包计算在实现科学突破中正扮演着越来越重要的角色。”该项目主要研究人员之一迈克尔•乌尔巴赫教授(Michael Urbakh)说,“正如我们研究所示,能借助公众参与帮忙解决的问题无时无刻不在增加。”

该项目从2013年年底开始,到2014年8月结束,由清华大学和特拉维夫大学在双方于2010年成立的清华大学与以色列特拉维夫大学交叉创新中心(XIN Center)联合开展。该项目由清华大学微纳力学郑泉水教授和特拉维夫大学雷蒙德与贝弗利•萨克勒精密科学学院化学系乌尔巴赫教授牵头进行,研究结果已在《自然•纳米技术》期刊发表。

众包计算也被称为分布式计算,近年来从分析小行星元素到提高天气预报准确率再到分析生物过程以发现疾病新疗法都离不开众包计算。

在众包计算的运作模型中,参与者应先下载一个代理软件,一旦安装到计算机上,该代理软件即可把额外的处理容量“发送”至在线项目,进而为项目提供分析方程或计算指令的处理能力。正在进行的项目不会妨碍参与者计算机正在进行的操作;此外,代理软件只占用参与者计算机的闲置处理容量,当用户自己需要使用计算机时,项目分析会自动暂停。

该研究主要观察了水和纳米管之间的作用方式,探索了名为“声子”的碳纳米管发生微振动时对水分运输的影响,而研究人员相信,声子的微振动大大增强了流水通过卫生过滤器时的扩散能力。该技术或可用于降低净水成本,还可结合纳米技术研发出更有效的血液给药方式。

乌尔巴赫表示,“我们根据该研究发现,无论是湿润还是干燥的材料,非常细微的震动可减小阻力,让水流更加顺利地通过过滤器。通过声子震动即携带水分子的纳米管发生震动,可加快水流速度,净化和脱盐效果也得以改善。由于纳米级别的摩擦,水过滤系统需要消耗大量能源。然而现在通过这些震动,水流速率提高了三倍,自然就节省了很多能源。”

由于分布式计算系统的强大计算能力,这个发现才成为了可能。该研究的计算由IBM全球网格大同盟(World Community Grid)成员共同完成。该组织曾鼓励70万成员下载该项目的软件,其中有15万名用户作出响应,提供闲置处理能力,分析纳米管过滤器细微变化及震动对水分子的作用。

IBM表示,该项目需要进行近1亿次的计算,若靠一台单处理器个人电脑,需要耗费3.7万年才能完成,而且如果研究人员想租借超级计算机进行处理的话,成本将高达1500万美元。

然而,该项目现在耗费的时间还不到上述时间的零头,而且没有花一分一毫。乌尔巴赫表示:“这是以色列首次开展此类项目,如果仅靠实验室的四名学生,我们永远都完成不了。”

通过该研究,研究团队能够利用计算机生成水分子流经纳米管的模拟图,演示声子震动是如何在适当条件下把水分子扩散率提高300%的。

“在此之前,模拟碳纳米管中的水流只能在远远高于真实流速的条件下进行。”清华大学微纳力学中心主任郑泉水教授说,“多亏了IBM的众包全球网格大同盟,清水计算项目才能进行此类模拟,探究每秒仅达数厘米的流速,而这是纳米管过滤器真实工作条件下的特征。”

IBM表示,过去十年,全球网格大同盟已为近24个研究项目提供支持,向科学研究贡献计算时间超过100万年,价值4亿美元,推动诸多领域取得重要科学进展,包括癌症研究、艾滋病治疗、遗传图谱、太阳能以及生态系统保护。该公司补充道,截至目前,该组织完成的研究任务价值超过24亿美元,每天处理的新任务超过150万项。