I supercomputer possono essere utilizzati per simulare materiali su scale molto diverse, dal flusso d'aria oltre l'ala di un aeroplano fino al movimento degli elettroni attorno ai singoli atomi. Diversi domini di lunghezza e scala temporale forniscono diversi livelli di informazioni, ma attualmente si sa poco su come questi livelli di informazione siano collegati. Il professor Peter Coveney dell'University College di Londra ha guidato un programma a lungo termine che mira a collegare le scale, mettere in relazione il comportamento di atomi e molecole con proprietà tangibili su macroscala.

Alla fine degli anni '80, ricercatori di Toyota hanno dimostrato che rinforzando polimeri come il nylon con argilla su scala nanometrica, si potrebbe ottenere un miglioramento significativo in un'ampia gamma di proprietà ingegneristiche. Conosciuti come nanocompositi argilla-polimero, questi materiali hanno una densità molto bassa ma sono anche resistenti e resistenti, proprietà ideali per la costruzione di veicoli.

Da allora sono in corso approfondite ricerche su questi materiali, e sebbene ci sia stato un certo successo nella ricerca di nuovi compositi utili, si è rivelato difficile. Gli stessi ricercatori che hanno fatto la scoperta iniziale quando lavoravano per Toyota hanno recentemente scritto della relativa scarsità di tali scoperte dalla loro scoperta quasi trent'anni fa, citando la laboriosa natura di tentativi ed errori degli esperimenti esplorativi richiesti, ma anche una fondamentale mancanza di comprensione di come e perché materiali come i nanocompositi polimeri-argilla possiedano proprietà così anomale.

Professor Peter Coveney dell'University College di Londra, in collaborazione con i suoi colleghi Dr James Suter e Dr Derek Groen, ha lavorato sui modi di collegare insieme diverse rappresentazioni della materia, che ritiene sia il primo passo per accelerare il processo di scoperta di materiali nuovi e utili. "Immaginare, Per esempio, un materiale che si è fratturato. A livello molecolare, questo è mostrato come la rottura dei legami chimici da parte degli elettroni che si muovono tra gli atomi, mentre la manifestazione su scala più ampia sarebbe la rottura di un componente fatto di quel materiale. Queste sono rappresentazioni molto diverse dello stesso evento, ma entrambi sono ugualmente corretti. Simulare questo evento separatamente su scale diverse è relativamente facile. Ciò che non è così facile è collegare i due - estrapolare le proprietà su macroscala di un materiale dalla sua composizione chimica".

Creare una descrizione di un materiale che funzioni a tutte le scale senza dover iniettare parametri ad hoc a livelli superiori è un passo cruciale verso la scoperta di materiali in silico. Per realizzare la "modellazione multiscala", come è noto, i parametri di livello più basso devono essere estremamente precisi, e sono necessari i computer più potenti per eseguire le simulazioni. Ma le ricompense per riuscire in questo compito sono grandi; se si possono prevedere le proprietà fisiche utili di un materiale dalla sua struttura molecolare, quindi esperimenti di prova ed errore costosi e dispendiosi in termini di tempo possono essere eliminati dal processo di scoperta.

A febbraio 2015, la rivista Advanced Materials ha pubblicato un articolo di Suter, Groen e Coveney che discute le proprietà di un certo numero di nanocompositi polimeri argillosi. Però, non sono i materiali specifici che rendono la carta così interessante, ma piuttosto i metodi innovativi alla base della ricerca. Nella carta, descrivono un metodo che può essere utilizzato per calcolare le proprietà dei nanocompositi di polimeri di argilla utilizzando la modellazione multiscala. Gli unici input necessari per questo "laboratorio virtuale" sono la composizione chimica, struttura molecolare, e condizioni di lavorazione, e in cambio fornisce informazioni che in gran parte non sono mai state mostrate prima in nessun tipo di modellazione, figuriamoci in un esperimento.

"Collegando tutte le scale insieme in un modello multiscala, siamo stati in grado di mostrare il processo dei polimeri che entrano negli strati di argilla:come avviene e quanto tempo impiega, " dice Coveney. "L'argilla esiste naturalmente sotto forma di fogli impilati chiamati tactoid. Quando aggiungi un polimero, romperà questa configurazione naturale - incapsulando, esfoliando o intercalando gli stack. La nostra simulazione ha mostrato che il composito si dispone quindi in un particolare orientamento, in modo tale che le proprietà del materiale iniziano a sembrare molto diverse da quanto si potrebbe prevedere da una combinazione lineare delle proprietà dell'argilla e del polimero".

Il documento è stato considerato così importante da Advanced Materials che per la prima volta in tutta la sua storia la rivista ad alto impatto ha pubblicato un articolo esteso in modo che i metodi alla base del lavoro potessero essere completamente spiegati. "La capacità di modellare e simulare le proprietà di un materiale in questo modo ha aperto la porta per fare previsioni che potrebbero accelerare notevolmente molti processi di scoperta scientifica, non solo nel campo dei nanocompositi argilla-polimero, " spiega Coveney.

Grafene, Per esempio, è un materiale che è stato a lungo propagandato come un moderno materiale meraviglioso che alla fine rivoluzionerà numerosi campi di ricerca. Però, fornire le applicazioni pratiche del grafene si è rivelato difficile, non da ultimo a causa delle difficoltà di produrlo in quantità sufficientemente grandi. La modellazione multiscala potrebbe essere utilizzata per modellare la produzione industriale di grafene esfoliando fogli 2D di grafene dalla grafite, un processo abbastanza simile all'esfoliazione dei tattoidi di argilla nella produzione di nanocompositi polimerici di argilla.

Coveney e i suoi ricercatori hanno fatto ampio uso di supercomputer PRACE Tier-0, inclusi 40,5 milioni di ore core su JUGENE BlueGene/P presso FZJ. "L'esecuzione di simulazioni multiscala rientra nel dominio di quelli che chiamiamo "compiti di calcolo eroici", lui dice. "Personalmente credo che il futuro della scienza dei materiali risieda nell'acquisizione di una corretta comprensione dei compositi, e questo dipende molto dalla natura ad alta fedeltà dei nostri modelli e simulazioni. I supercomputer Tier-0 come quelli forniti da PRACE sono assolutamente essenziali per eseguire queste simulazioni in periodi di tempo fattibili, e quindi il successo del nostro lavoro e di qualsiasi lavoro futuro che utilizzi i nostri metodi si basa sull'accesso che i ricercatori hanno a queste preziose risorse".

A breve termine, i metodi del team hanno il potenziale per accelerare la scoperta e la comprensione scientifica. A lungo termine, la scienza dei materiali cambierà in meglio, eliminando molti dei tentativi ed errori che attualmente affliggono lo sviluppo di materiali utili.