La neve cade in inverno e si scioglie in primavera, ma cosa guida il cambiamento di fase nel mezzo?

Sebbene la fusione sia un fenomeno familiare riscontrato nella vita di tutti i giorni, partecipando a molti processi industriali e commerciali, molto resta da scoprire su questa trasformazione a livello fondamentale.

Nel 2015, un team guidato da Sharon Glotzer dell'Università del Michigan ha utilizzato il calcolo ad alte prestazioni presso l'Oak Ridge National Laboratory del Dipartimento dell'Energia (DOE) per studiare la fusione in sistemi bidimensionali (2-D), un problema che potrebbe fornire informazioni sulle interazioni di superficie in materiali importanti per tecnologie come i pannelli solari, così come nel meccanismo alla base della fusione tridimensionale. Il team ha esplorato il modo in cui la forma delle particelle influisce sulla fisica di una transizione di fusione da solido a fluido in due dimensioni.

Utilizzando il supercomputer Cray XK7 Titan presso l'Oak Ridge Leadership Computing Facility (OLCF), una struttura per gli utenti dell'Office of Science del DOE, il lavoro del team ha rivelato che la forma e la simmetria delle particelle possono influenzare notevolmente il processo di fusione. Questa scoperta fondamentale potrebbe aiutare a guidare i ricercatori alla ricerca di nanoparticelle con proprietà desiderabili per applicazioni energetiche.

Per affrontare il problema, Il team di Glotzer aveva bisogno di un supercomputer in grado di simulare sistemi fino a 1 milione di poligoni rigidi, particelle semplici usate come sostituti degli atomi, che vanno dai triangoli alle forme a 14 lati. A differenza delle tradizionali simulazioni di dinamica molecolare che tentano di imitare la natura, le simulazioni di poligoni rigidi offrono ai ricercatori un ambiente ridotto in cui valutare la fisica influenzata dalla forma.

"All'interno del nostro ambiente 2-D simulato, abbiamo scoperto che la transizione di fusione segue uno dei tre diversi scenari a seconda della forma dei poligoni dei sistemi, " Il ricercatore dell'Università del Michigan Joshua Anderson ha detto. "In particolare, abbiamo scoperto che i sistemi costituiti da esagoni seguono perfettamente una teoria ben nota per la fusione 2-D, qualcosa che non è stato descritto fino ad ora."

Scenari di forma mutevole

Nei sistemi 3D come un ghiacciolo che si assottiglia, la fusione assume la forma di una transizione di fase del primo ordine. Ciò significa che le raccolte di molecole all'interno di questi sistemi esistono in forma solida o liquida senza alcuna via di mezzo in presenza di calore latente, l'energia che alimenta un cambiamento di fase da solido a fluido. Nei sistemi 2-D, come i materiali a film sottile utilizzati nelle batterie e in altre tecnologie, la fusione può essere più complessa, a volte esibendo una fase intermedia nota come fase esatica.

La fase esatica, uno stato caratterizzato come una via di mezzo tra un solido ordinato e un liquido disordinato, è stato teorizzato per la prima volta negli anni '70 dai ricercatori John Kosterlitz, David Thouless, Burt Halperin, David Nelson, e Peter Young. La fase è una caratteristica principale della teoria KTHNY, una teoria di fusione 2-D postulata dai ricercatori (e denominata in base alle prime lettere dei loro cognomi). Nel 2016 Kosterlitz e Thouless hanno ricevuto il Premio Nobel per la Fisica, insieme al fisico Duncan Haldane, per i loro contributi alla ricerca sui materiali 2-D.

A livello molecolare, solido, esatico, e i sistemi liquidi sono definiti dalla disposizione dei loro atomi. In un solido cristallino, sono presenti due tipi di ordine:traslazionale e orientativo. L'ordine traslazionale descrive i percorsi ben definiti tra gli atomi su distanze, come blocchi in una torre Jenga accuratamente costruita. L'ordine orientativo descrive l'ordine relazionale e cluster condiviso tra atomi e gruppi di atomi a distanza. Pensa a quella stessa torre Jenga che è diventata storta dopo diversi round di gioco. La forma generale della torre rimane, ma il suo ordine è ora frammentato.

La fase esatica non ha un ordine di traslazione ma possiede un ordine di orientamento. (Un liquido non ha né un ordine di traslazione né un ordine di orientamento ma mostra un ordine a corto raggio, il che significa che ogni atomo avrà un numero medio di vicini vicini ma senza un ordine prevedibile.)

Dedurre la presenza di una fase esatica richiede un computer di classe dirigente in grado di calcolare grandi sistemi di particelle dure. Il team di Glotzer ha ottenuto l'accesso al Titan da 27 petaflop dell'OLCF attraverso il programma Innovative and Novel Computational Impact on Theory and Experiment (INCITE), eseguendo il suo codice HOOMD-blue con accelerazione GPU per massimizzare il tempo sulla macchina.

su Titano, HOOMD-blue ha utilizzato 64 GPU per ogni simulazione Monte Carlo massicciamente parallela di un massimo di 1 milione di particelle. I ricercatori hanno esplorato 11 diversi sistemi di forme, applicando una pressione esterna per spingere le particelle insieme. Ciascun sistema è stato simulato a 21 diverse densità, con le densità più basse che rappresentano uno stato fluido e le densità più alte uno stato solido.

Le simulazioni hanno dimostrato molteplici scenari di fusione che dipendono dalla forma dei poligoni. I sistemi con poligoni di sette lati o più seguivano da vicino il comportamento di fusione dei dischi rigidi, o cerchi, presentando una transizione di fase continua dalla fase solida alla fase esatica e una transizione di fase del primo ordine dalla fase esatica alla fase liquida. Una transizione di fase continua significa un'area in costante cambiamento in risposta a una pressione esterna mutevole. Una transizione di fase del primo ordine è caratterizzata da una discontinuità in cui il volume salta attraverso la transizione di fase in risposta alla variazione della pressione esterna. La squadra ha trovato pentagoni e pentilli quadrupli, pentagoni irregolari con due diverse lunghezze di bordo, mostrano una transizione di fase solido-liquido del primo ordine.

Il ritrovamento più significativo, però, emerse da sistemi esagonali, che ha seguito perfettamente la transizione di fase descritta dalla teoria KTHNY. In questo scenario, lo spostamento delle particelle da solido a esatico e da esatico a fluido in un perfetto schema di transizione di fase continua.

"In realtà è stato un po' sorprendente che nessun altro avesse scoperto che fino ad ora, "Anderson ha detto, "perché sembra naturale che l'esagono, con i suoi sei lati, e la disposizione esagonale a nido d'ape sarebbe una corrispondenza perfetta per questa teoria" in cui la fase esatica contiene generalmente un ordine orientativo di sei volte.

La squadra di Glotzer, che ha recentemente ricevuto un'assegnazione INCITE 2017, sta ora applicando la sua abilità di elaborazione di classe dirigente per affrontare le transizioni di fase in 3-D. Il team si sta concentrando su come le particelle fluide si cristallizzano in colloidi complessi, miscele in cui le particelle sono sospese in un'altra sostanza. Esempi comuni di colloidi includono latte, carta, nebbia, e vetrate.

"Stiamo pianificando di utilizzare Titan per studiare come la complessità possa derivare da queste semplici interazioni, e per farlo vedremo come crescono i cristalli e studieremo la cinetica di come ciò accade, " ha detto Anders.