Quando i primi umani scoprirono come imbrigliare il fuoco, furono in grado di respingere l'oscurità notturna che li avvolgeva. Con l'invenzione e l'adozione diffusa dell'elettricità, è diventato più facile separare il calore dalla luce, lavorare di notte e illuminare i vagoni dei treni verso le autostrade. Negli ultimi anni, le vecchie forme di generazione di luce elettrica come le lampadine alogene hanno lasciato il posto a alternative più efficienti dal punto di vista energetico, riducendo ulteriormente i costi per illuminare le nostre case, i luoghi di lavoro e la vita in generale.

Sfortunatamente, tuttavia, la generazione di luce bianca mediante tecnologie più recenti come i diodi a emissione di luce (LED) non è semplice e spesso si basa su una categoria di materiali chiamati "metalli delle terre rare", che sono sempre più scarsi. Ciò ha recentemente portato gli scienziati a cercare modi per produrre luce bianca in modo più sostenibile. I ricercatori dell'Università di Giessen, dell'Università di Marburg e del Karlsruhe Institute of Technology hanno recentemente scoperto una nuova classe di materiali chiamata "vetro a grappolo" che mostra un grande potenziale per la sostituzione dei LED in molte applicazioni.

"Stiamo assistendo alla nascita della tecnologia di generazione della luce bianca che può sostituire le attuali sorgenti luminose. Porta tutti i requisiti che la nostra società richiede:disponibilità di risorse, sostenibilità, biocompatibilità", ha affermato il Prof. Dr. Simone Sanna, Professore dell'Università di Giessen e capo ricercatore computazionale sul progetto.

"I miei colleghi delle scienze sperimentali, che hanno osservato questa inaspettata generazione di luce bianca, hanno chiesto supporto teorico. Il vetro a grappolo ha un'incredibile risposta ottica, ma non capiamo perché. I metodi computazionali possono aiutare a capire quei meccanismi. Questo è esattamente il sfida che i teorici vogliono affrontare."

Sanna e i suoi collaboratori si sono rivolti alla potenza dell'High-Performance Computing (HPC), utilizzando il supercomputer Hawk presso l'High-Performance Computing Center Stuttgart (HLRS) per comprendere meglio il cluster glass e come potrebbe fungere da sorgente di luce di prossima generazione . Hanno pubblicato i loro risultati in Materiali avanzati .

Vista chiara sulla formazione del vetro a grappolo

Se non sei uno scienziato dei materiali o un chimico, la parola vetro potrebbe semplicemente significare il materiale trasparente e solido nelle tue finestre o sul tuo tavolo da pranzo. Il vetro è in realtà una classe di materiali considerati "solidi amorfi"; cioè mancano di un reticolo cristallino ordinato, spesso a causa di un rapido processo di raffreddamento. A livello atomico, le loro particelle costituenti sono in uno stato sospeso e disordinato. A differenza dei materiali cristallini, dove le particelle sono ordinate e simmetriche su una lunga distanza molecolare, il disordine dei vetri a livello molecolare li rende ideali per piegare, frammentare o riflettere la luce.

Gli sperimentatori dell'Università di Marburg hanno recentemente sintetizzato un particolare di vetro chiamato "vetro a grappolo". A differenza di un vetro tradizionale che si comporta quasi come un liquido congelato sul posto, il vetro a grappolo, come suggerisce il nome, è un insieme di gruppi separati di molecole che si comportano come una polvere a temperatura ambiente. Generano una luce bianca, chiara e brillante dopo l'irradiazione di radiazioni infrarosse. Sebbene le polveri non possano essere facilmente utilizzate per fabbricare componenti elettronici piccoli e sensibili, i ricercatori hanno trovato un modo per rifonderli in forma di vetro:"Quando fondiamo la polvere, otteniamo un materiale che ha tutte le caratteristiche di un vetro e può essere inserire qualsiasi forma necessaria per una domanda specifica", ha detto Sanna.

Mentre gli sperimentatori sono stati in grado di sintetizzare il materiale e osservarne le proprietà luminose, il gruppo si è rivolto a Sanna e HPC per capire meglio come si comporta il vetro a grappolo. Sanna ha sottolineato che la generazione di luce bianca non è una proprietà di una singola molecola in un sistema, ma i comportamenti collettivi di un gruppo di molecole. Tracciare le interazioni di queste molecole tra loro e con il loro ambiente in una simulazione significa quindi che i ricercatori devono sia catturare i comportamenti su larga scala della generazione di luce sia osservare come le interazioni atomiche su piccola scala influenzano il sistema. Ognuno di questi fattori sarebbe computazionalmente impegnativo. La modellazione di questi processi su più scale, tuttavia, è possibile solo utilizzando le principali risorse HPC come Hawk.

La collaborazione tra sperimentalisti e teorici è diventata sempre più importante nella scienza dei materiali, poiché sintetizzare molte iterazioni di un materiale simile può essere lento e costoso. Il calcolo ad alte prestazioni, ha indicato Sanna, rende molto più veloce l'identificazione e il test di materiali con nuove proprietà ottiche. "La relazione tra teoria ed esperimento è un ciclo continuo. Possiamo prevedere le proprietà ottiche di un materiale che è stato sintetizzato dai nostri colleghi chimici e utilizzare questi calcoli per verificare e comprendere meglio le proprietà del materiale", ha affermato Sanna. "Possiamo anche progettare nuovi materiali su un computer, fornendo informazioni che i chimici possono utilizzare per concentrarsi sulla sintesi di composti che hanno la più alta probabilità di essere utili. In questo modo, i nostri modelli ispirano la sintesi di nuovi composti con proprietà ottiche su misura"

Nel caso del vetro a grappolo, questo approccio ha portato a un esperimento che è stato verificato mediante simulazione, con la modellazione che ha aiutato a mostrare ai ricercatori il legame tra le proprietà ottiche osservate e la struttura molecolare del loro materiale di vetro a grappolo e ora può andare avanti come candidato per sostituire le sorgenti luminose fortemente dipendenti dai metalli delle terre rare.

HPC accelera i tempi di ricerca e sviluppo

L'HPC svolge un ruolo importante nell'aiutare i ricercatori ad accelerare la linea temporale tra una nuova scoperta e un nuovo prodotto o tecnologia. Sanna ha spiegato che HPC ha ridotto drasticamente i tempi per ottenere una migliore comprensione del vetro a grappolo. "Dedichiamo molto tempo alla simulazione, ma è molto meno che caratterizzare questi materiali nella realtà", ha affermato. "I cluster che modelliamo hanno un nucleo a forma di diamante con 4 ligandi (catene molecolari) attaccati. Questi ligandi possono essere costituiti da un numero qualsiasi di cose, quindi farlo in un esperimento richiede tempo."

Sanna ha sottolineato che il team è ancora limitato da quanto tempo possono eseguire corse individuali per le loro simulazioni. Molti progetti di ricerca sui supercomputer possono dividere un sistema complesso in tante piccole parti ed eseguire calcoli per ciascuna parte in parallelo. Il team di Sanna deve prestare particolare attenzione alle interazioni delle particelle a lunga distanza tra sistemi di grandi dimensioni, quindi sono limitati da quanto possono dividere la loro simulazione tra i nodi del computer. Ha indicato che avere accesso regolare a tempi di esecuzione più lunghi, più di un giorno di fila su un supercomputer, consentirebbe al team di lavorare più rapidamente.

Negli studi in corso sul vetro a grappolo, il team di Sanna spera di comprendere a fondo l'origine delle sue proprietà di generazione della luce. Ciò potrebbe aiutare a identificare nuovi materiali aggiuntivi e a determinare il modo migliore per applicare il vetro a grappolo nella generazione della luce.

Sanna ha spiegato che le risorse HPC presso HLRS erano essenziali per la ricerca scientifica di base del suo team, che spera porterà a nuovi prodotti a beneficio della società. "Il principale risultato computazionale in questo articolo di giornale è stato possibile solo attraverso il nostro accesso alla macchina a Stoccarda", ha affermato. + Esplora ulteriormente

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