Un team internazionale di scienziati ha scoperto, utilizzando simulazioni al supercomputer, che flettendo il diamante, la sua conduttività termica può essere drasticamente aumentata o diminuita. Gli scienziati di tutto il mondo sono interessati allo studio dell'ingegneria della deformazione elastica per scoprire le proprietà che i materiali mostrano quando sono sottoposti a grandi sollecitazioni di trazione o taglio.

Scoperte come queste potrebbero aprire la strada allo sviluppo di nuovi dispositivi microelettronici e optoelettronici come chip per computer, sensori quantistici, dispositivi di comunicazione e altro ancora.

"Il nostro studio dimostra la struttura per mappare l'intero confine di stabilità del fonone nello spazio di deformazione sei dimensionale, che può guidare l'ingegneria dei materiali attraverso l'ingegneria della deformazione elastica", ha affermato Frank Shi, ex ricercatore presso il Dipartimento di Scienze e Ingegneria Nucleari e del Dipartimento di Scienza e Ingegneria dei Materiali presso il Massachusetts Institute of Technology.

Shi è coautore dello studio che rivela la conduttività termica regolabile del diamante, pubblicato negli Proceedings of the National Academy of Sciences nel febbraio 2024.

Shi e colleghi hanno sviluppato un modello computazionale calibrato rispetto ai dati sperimentali utilizzando la diffusione di neutroni e raggi X del diamante non deformato per determinare le proprietà fisiche del diamante deformato come la stabilità dei fononi, le strutture delle bande dei fononi e la durata dei fononi.

"Applicando questo quadro, abbiamo scoperto che la conduttività termica reticolare del diamante a temperatura ambiente può essere aumentata o diminuita di oltre il 90% attraverso sollecitazioni meccaniche senza indurre instabilità all'interno del materiale", ha aggiunto Shi.

Shi ha completato il lavoro precedente nel 2021 che effettuava calcoli quantomeccanici della struttura a bande elettroniche del diamante, che descrive l'energia degli elettroni ed è stata importante nella costruzione del modello vibrazionale del reticolo.

Il team scientifico ha utilizzato un supercomputer Frontera presso il Texas Advanced Computing Center (TACC). Hanno iniziato con un'allocazione Pathways, per poi espandersi fino a un'allocazione di risorse per la leadership fino a cinque milioni di ore nodo.

"Abbiamo utilizzato Frontera per generare i dati dal grande spazio di deformazione a sei dimensioni, oltre alla struttura tridimensionale delle bande fononiche", ha affermato il coautore dello studio Ju Li, professore di Scienza e ingegneria dei materiali e professore di Nucleare della Battelle Energy Alliance. Ingegneria al MIT.

Li ha utilizzato Frontera per completare migliaia di calcoli della teoria del funzionale della densità per determinare la struttura delle bande fononiche e le proprietà di diffusione dei fononi in funzione del tensore di deformazione. Quindi hanno addestrato una rete DPU (unità di elaborazione dati) utilizzando l'apprendimento automatico per generare una funzione di risposta nove dimensionale per il modello.

"E con ciò, siamo in grado di fornire le proprietà vibrazionali e le proprietà elettroniche del diamante per sollecitazioni arbitrarie in modo rapido", ha aggiunto Li. "Grazie al modello di apprendimento automatico, ora il calcolo è molto meno costoso. Per la prima volta siamo in grado di delineare completamente la superficie di 'deformazione ideale' a sei dimensioni."

Secondo Li, questo lavoro fa avanzare il concetto di deformazione ideale, proposto per la prima volta da Yakov Frenkel nel 1926, che fornisce un numero approssimativo per il taglio semplice, senza tenere conto delle proprietà individuali del materiale.

"Con il supercomputer Frontera, siamo stati in grado di creare per la prima volta una mappa di navigazione dello spazio di deformazione elastica che governa la stabilità fononica e la conduttività termica del diamante", ha aggiunto Li.

Nei laptop e nei telefoni cellulari, la tecnologia del silicio a deformazione standard viene utilizzata per allungare il reticolo cristallino del transistor di circa l'1%, il che fa sì che gli elettroni si muovano più velocemente nel canale del silicio.

"Stiamo salendo al 10%", ha detto Li. "E poiché è uno spazio a sei dimensioni, se aumento l'entità della deformazione di un fattore 10, il suo volume parametrico è maggiore di un fattore di un milione nello spazio della deformazione elastica. Questo è il motivo per cui abbiamo bisogno di un calcolo ad alta potenza per mappare lo spazio funzionalità."

"I calcoli della meccanica quantistica effettuati su Frontera ci hanno fornito la verità fondamentale di questi dati in modo da poter addestrare un modello di apprendimento automatico", ha aggiunto Shi.

Senza l'apprendimento automatico, sarebbero necessari miliardi di calcoli per modellare il numero considerevole di stati di deformazione

"Ci fa risparmiare tempo prezioso di calcolo senza sacrificare la precisione", ha affermato Shi.

Questa ricerca si inserisce in uno sforzo scientifico più ampio chiamato Material Genome Initiative (MGI), un analogo concettuale del Progetto Genoma Umano che ha mappato e sequenziato i geni nel genoma umano. L'MGI integra modelli avanzati, strumenti computazionali e sperimentali e dati quantitativi per accelerare la scoperta di materiali avanzati utilizzati nelle batterie, nei chip dei computer e altro ancora.

"Gli ulteriori sei gradi di libertà di deformazione che abbiamo studiato ci danno nuove e straordinarie libertà", ha detto Li. Le proprietà vibrazionali dei fononi sono fondamentali per la superconduttività, le proprietà termoelettriche e la conduttività termica.

Li ha aggiunto che Frontera è una risorsa “enorme” non solo per la ricerca, ma anche per l’istruzione e lo sviluppo della forza lavoro. "Per il mio gruppo, il sistema mi ha aiutato a fare da mentore agli stagisti di West Point degli studenti ROTC. Lo trovano estremamente facile da accedere e utilizzare", ha affermato Li.

È stato detto molte volte che i supercomputer aiutano ad accelerare il processo di scoperta della scienza dei materiali.

"Ci consentono di utilizzare simulazioni per ripetere rapidamente modelli raffinati basati su nuovi dati e quindi esplorare diversi approcci alla progettazione e alla ricerca dei materiali", ha concluso Shi. "Questo rapido ciclo di verifica delle ipotesi accelera la transizione dalle intuizioni teoriche alle applicazioni pratiche. È un paradigma significativo e molto necessario affinché gli scienziati dei materiali conducano la ricerca moderna."