Con l'avvento della tecnologia laser negli anni '60, gli scienziati dei materiali hanno ottenuto un nuovo strumento per studiare e modificare i materiali. Oggi, i laser consentono ai ricercatori di manipolare materiali a livello atomico e subatomico, portando a nuovi materiali e una miriade di altre applicazioni.

Ad esempio, controllando la lunghezza d'onda del laser, intensità, e durata dell'impulso, i ricercatori possono modificare i metalli per esibire nuove proprietà utili per un'ampia gamma di applicazioni. Fino ad anni recenti, i ricercatori hanno fatto affidamento su prove ed errori sperimentali per ottenere le proprietà desiderate, ma nell'era del supercalcolo, gli esperimenti possono essere fatti in un laboratorio virtuale.

Il professore dell'Università della Virginia Leonid Zhigilei ha guidato un team che ha realizzato un simile laboratorio virtuale utilizzando le risorse informatiche presso l'Oak Ridge Leadership Computing Facility (OLCF), una struttura per gli utenti dell'Ufficio delle scienze del Dipartimento dell'energia degli Stati Uniti (DOE) situata presso l'Oak Ridge National Laboratory del DOE. Il team ha utilizzato il supercomputer Titan dell'OLCF per ottenere informazioni più approfondite sulle interazioni laser con le superfici metalliche.

"Rapida espansione delle applicazioni pratiche della lavorazione laser a impulsi ultracorti, compresa l'ingegneria di nuovi materiali, richiede la comprensione dei meccanismi fondamentali delle trasformazioni strutturali e di fase indotte dal laser, " ha detto Zhigilei. "Sondaggio sperimentale di queste trasformazioni, che avvengono sulla scala temporale dei picosecondi (un trilionesimo di secondo), è difficile, caro, e spesso nemmeno fattibile. L'esecuzione di "esperimenti virtuali" su un supercomputer fornisce un'alternativa interessante.

"Inoltre, i risultati computazionali possono guidare l'esplorazione sperimentale mirata dei regimi di irradiazione più promettenti o di fenomeni interessanti previsti nelle simulazioni, " Egli ha detto.

Utilizzando una combinazione di esperimenti virtuali e reali, il team sta acquisendo una comprensione fondamentale dei meccanismi delle interazioni tra materiali indotte dai laser.

impulsi brevi, grandi simulazioni

Il termine laser è in realtà l'acronimo di amplificazione della luce mediante emissione stimolata di radiazioni. La luce visibile che vediamo nella nostra vita quotidiana è la radiazione elettromagnetica, l'energia, che cade all'interno di una lunghezza d'onda che i nostri occhi possono percepire. Gli atomi devono essere eccitati per rilasciare la loro energia che emette luce, anche se, e i laser sfruttano l'energia di questi atomi in raggi.

Questi raggi sono un insieme di onde luminose coerenti. La quantità di energia che trasportano, però, può variare ampiamente, e sia i laser a bassa che quelli ad alta energia hanno avuto un enorme impatto sulla vita moderna. I laser a bassa energia hanno contribuito a inaugurare l'era di CD e DVD, considerando che i laser ad alta energia hanno semplificato innumerevoli procedure mediche e consentito un'ampia gamma di applicazioni di progettazione dei materiali. Quest'ultimo richiede precisione e una comprensione dettagliata di come i laser interagiscono con un materiale su scala nanometrica.

Zhigilei ha notato che il suo team si è concentrato sulla comprensione delle transizioni di fase ultraveloci innescate dall'irradiazione laser, o i percorsi che il materiale percorre per passare da uno stato della materia all'altro, come il ghiaccio che si scioglie e diventa acqua.

Se una fonte di calore colpisce un cubetto di ghiaccio, ad esempio, inizia a fondere al punto di riscaldamento. Il calore poi si trasferisce alle regioni più fredde retrostanti, fondendo l'intero cubo essenzialmente da davanti a dietro. L'intensa energia dei laser, anche se, rende possibile che lo stesso cubetto di ghiaccio si sciolga dall'interno o si sciolga in varie regioni contemporaneamente. Nel caso di un cubetto di ghiaccio, l'intero solido alla fine si trasforma in acqua, ma quando i ricercatori cercano di catalogare i cambiamenti della superficie metallica su scala nanometrica, il quadro si fa più complesso. Comprendere i dettagli di queste transizioni di fase è essenziale per prevedere le proprietà dei materiali che potrebbero essere di interesse per le applicazioni pratiche.

Il team di Zhigilei utilizza i supercomputer per simulare queste trasformazioni di fase su scala atomica. Per creare simulazioni significative, anche se, il team deve simulare milioni o, in alcuni casi, miliardi di atomi. Possono quindi osservare come gli atomi si muovono in una sequenza di brevissimi momenti nel tempo chiamati fasi temporali. Eseguendo lunghe simulazioni costituite da milioni di fasi temporali, i ricercatori potrebbero essere in grado di osservare tutti i processi che avvengono durante un'interazione laser-metallo per un tempo totale di diversi nanosecondi (ogni nanosecondo è un miliardesimo di secondo). Il team ha recentemente eseguito una simulazione di 2,8 miliardi di atomi di argento per 3,2 nanosecondi, permettendogli di confrontare per la prima volta la morfologia della superficie ghiacciata, la sua struttura superficiale, con i dati sperimentali.

Nuove nanostrutture dalla morfologia del metallo

I laser possono conferire ai metalli molte nuove proprietà. Un modo per farlo è usare l'ablazione laser, o il processo di rimozione selettiva di piccole quantità di materiale, modificando così la morfologia e la microstruttura della superficie. Anche se spesso invisibile all'occhio umano, questo processo può apportare grandi cambiamenti alle caratteristiche di un metallo. L'ablazione laser irradia la superficie del metallo in modo rapido, interazione violenta, creando minuscole esplosioni di particelle che vengono rimosse dal materiale. Mentre il metallo si raffredda, mostra nuove proprietà, a seconda del processo.

Gli ingegneri possono utilizzare i laser per influenzare il modo in cui una superficie metallica interagisce con l'acqua, costringendo l'acqua a rotolare fuori dalla superficie in una certa direzione, ad esempio. I ricercatori possono creare superfici nere sui metalli senza utilizzare vernici o altri materiali sintetici. Brevi impulsi laser possono anche modificare localmente la durezza dei metalli; per una maggiore flessibilità, gli ingegneri possono creare un guscio esterno duro di un campione di metallo mantenendo l'interno più morbido.

In molti casi, la lavorazione del metallo avviene sotto vuoto, consentendo così agli ingegneri di prevenire l'ingresso di contaminanti nel materiale lavorato. Sebbene il team di Zhigilei si sia concentrato principalmente sulla simulazione di interazioni metallo-laser nel vuoto, il tempo di calcolo assegnato attraverso il programma Innovative and Novel Computational Impact on Theory and Experiment (INCITE) ha permesso al team di simulare questi processi in scenari più complessi, anche. "Ablazione laser in liquidi, in particolare, è attivamente utilizzato per la generazione di nanoparticelle colloidali pulite [nanoparticelle insolubili e uniformemente disperse in un solvente] con forme e funzionalità uniche adatte per applicazioni in vari campi, compresa la biomedicina, catalisi chimica, e plasmonica, ", ha affermato Cheng-Yu Shih, membro del team e studente laureato dell'Università della Virginia.

"Mentre, sperimentalmente, è stato dimostrato che l'ambiente liquido influisce fortemente sulla distribuzione delle dimensioni delle nanoparticelle e sulla microstruttura delle superfici modificate al laser, i meccanismi fisici della modifica della superficie laser e dell'ablazione nei liquidi sono ancora poco conosciuti. L'interazione del pennacchio di ablazione [una nuvola di vapore metallico e piccole goccioline espulse dal bersaglio irradiato] con l'ambiente liquido aggiunge un ulteriore livello di complessità all'ablazione laser. Le simulazioni atomistiche aiutano a far luce sull'iniziale, fase molto critica dell'interazione tra pennacchio di ablazione e liquido e prevedere i successivi meccanismi di formazione delle nanoparticelle a livello atomico. Con l'accesso alle risorse INCITE, diventa possibile affrontare l'impegnativo problema della modellazione atomistica della generazione di nanoparticelle mediante ablazione laser nei liquidi, " Shih ha continuato.

La capacità del team di espandere le sue simulazioni è derivata dall'equipaggiamento del suo codice per utilizzare acceleratori come le GPU di Titan. Nel corso del suo progetto INCITE, il team ha lavorato con Mark Berrill, referente per l'informatica scientifica dell'OLCF, e il personale di supporto agli utenti dell'OLCF per migliorare le prestazioni del codice ibrido.

Di conseguenza, il team è stato in grado di ottenere un'accelerazione di sette volte rispetto ai metodi basati solo sulla CPU. Queste accelerazioni hanno aiutato la squadra a diventare più grande, simulazioni più complesse ed espandere lo studio nelle simulazioni di lavorazione dei metalli al di fuori del vuoto. Inoltre, Il personale dell'OLCF ha aiutato il team a ottimizzare le prestazioni di I/O dei propri codici implementando il middleware Adaptive I/O System (ADIOS) nel codice.

Il team ha anche lavorato con l'informatico dell'OLCF Benjamin Hernandez per aiutare con la visualizzazione di configurazioni atomiche costituite da miliardi di atomi.

Il team attribuisce una varietà di risorse computazionali al suo successo. "Con un codice per computer altamente ottimizzato che viene eseguito in parallelo su migliaia di nodi di computer e utilizza appieno le capacità della moderna tecnologia informatica, comprese interconnessioni a bassa latenza e larghezza di banda elevata tra i nodi e acceleratori GPU ad alte prestazioni, è ora possibile affrontare i problemi computazionali più ambiziosi e incredibilmente impegnativi nel nostro campo, ", ha affermato Maxim Shugaev, membro del team e studente laureato dell'Università della Virginia.

Passando al prossimo anno del suo premio INCITE, il team prevede di concentrarsi sulle interazioni laser-metallo nei liquidi per ottenere un quadro completo di come la tensione superficiale, temperatura critica, pressione, e diversi ambienti controllano la morfologia e la microstruttura della superficie metallica.