Gli scienziati di Argonne hanno utilizzato Mira per identificare e migliorare un nuovo meccanismo per eliminare l'attrito, che ha alimentato lo sviluppo di un materiale ibrido che ha mostrato per la prima volta una superlubricità su scala macro. I ricercatori dell'Argonne Leadership Computing Facility (ALCF) hanno aiutato a realizzare simulazioni innovative superando un collo di bottiglia delle prestazioni che ha raddoppiato la velocità del codice del team.

Durante la revisione dei risultati della simulazione di un nuovo materiale lubrificante promettente, Il ricercatore di Argonne Sanket Deshmukh si è imbattuto in un fenomeno che non era mai stato osservato prima.

"Ricordo che Sanket mi ha chiamato e mi ha detto 'devi venire qui e vedere questo. Voglio mostrarti qualcosa di veramente interessante, '", disse il subramaniano Sankaranarayanan, nanoscienziato computazionale di Argonne, che ha guidato il lavoro di simulazione presso l'Argonne Leadership Computing Facility (ALCF), una struttura per gli utenti dell'Office of Science del DOE.

Sono rimasti stupiti da ciò che hanno rivelato le simulazioni al computer. Quando i materiali lubrificanti, grafene e carbonio simile al diamante (DLC), scivolano l'uno contro l'altro, il grafene ha iniziato ad arrotolarsi formando dei "rotoli" cilindrici cavi che hanno praticamente eliminato l'attrito. Questi cosiddetti nanoscrolls rappresentavano un meccanismo completamente nuovo per la superlubricità, uno stato in cui l'attrito essenzialmente scompare.

"I nanoscroll combattono l'attrito in modo molto simile ai cuscinetti a sfera creando separazione tra le superfici, " disse Deshmukh, che ha terminato il suo appuntamento post-dottorato ad Argonne a gennaio.

La superlubrificazione è una proprietà altamente desiderabile. Considerando che quasi un terzo di ogni serbatoio di carburante viene speso per superare l'attrito nelle automobili, un materiale in grado di raggiungere la superlubrificazione sarebbe di grande beneficio sia per l'industria che per i consumatori. Tali materiali potrebbero anche contribuire ad aumentare la durata di innumerevoli componenti meccanici che si usurano a causa dell'attrito incessante.

origini sperimentali

Prima del lavoro di calcolo, Scienziati di Argonne Ali Erdemir, Anirudha Sumant, e Diana Berman stavano studiando il materiale ibrido in esperimenti di laboratorio presso l'Argonne's Tribology Laboratory e il Center for Nanoscale Materials, una struttura per gli utenti dell'Office of Science del DOE. La configurazione sperimentale consisteva in piccole chiazze di grafene (una forma bidimensionale a foglio singolo di carbonio puro) che scorreva contro una sfera d'acciaio rivestita di DLC.

La combinazione grafene-DLC stava registrando un coefficiente di attrito molto basso (un rapporto che misura la forza di attrito tra due superfici), ma i livelli di attrito oscillavano su e giù senza una ragione apparente. Gli sperimentatori sono stati anche perplessi nello scoprire che gli ambienti umidi stavano facendo salire il coefficiente di attrito fino a livelli che erano quasi 100 volte maggiori di quelli misurati in ambienti asciutti.

Per fare luce su questi misteriosi comportamenti, si rivolsero a Sankaranarayanan e Deshmukh per un aiuto computazionale. Usando Mira, il supercomputer IBM Blue Gene/Q da 10 petaflop dell'ALCF, i ricercatori hanno replicato le condizioni sperimentali con simulazioni di dinamica molecolare su larga scala volte a comprendere i meccanismi sottostanti della superlubricità a livello atomistico.

Ciò ha portato alla scoperta dei nanoscroll di grafene, che ha contribuito a riempire gli spazi vuoti. I livelli di attrito fluttuanti del materiale sono stati spiegati dal fatto che i nanoscroll stessi non erano stabili. I ricercatori hanno osservato uno schema ripetuto in cui si formerebbero i nanoscroll cavi, e poi crollare e crollare sotto la pressione del carico.

"L'attrito stava scendendo a valori molto bassi nel momento in cui ha avuto luogo la formazione del rotolo e poi sarebbe tornato a valori più alti quando i cerotti di grafene erano in uno stato senza scorrimento, " disse Deshmukh.

Gli scienziati computazionali hanno avuto un'idea per superare questo problema. Hanno provato a incorporare particelle di nanodiamante nelle loro simulazioni per vedere se il materiale duro poteva aiutare a stabilizzare i nanoscroll e renderli più permanenti.

Abbastanza sicuro, le simulazioni hanno avuto successo. I cerotti di grafene si sono rotolati spontaneamente attorno ai nanodiamanti, che manteneva i rotoli in posizione e risultava in una prolungata superlubrificazione. I risultati della simulazione sono stati inseriti in una nuova serie di esperimenti con nanodiamanti che hanno confermato lo stesso.

"La bellezza di questa particolare scoperta è che siamo stati in grado di vedere per la prima volta una superlubrificazione sostenuta su macroscala, dimostrare che questo meccanismo può essere utilizzato su scala ingegneristica per applicazioni del mondo reale, " Sankaranarayanan ha detto. "Questo sforzo collaborativo è un perfetto esempio di come il calcolo possa aiutare nella progettazione e nella scoperta di nuovi materiali".

Non scivoloso quando bagnato

Sfortunatamente, l'aggiunta di nanodiamanti non ha affrontato l'avversione del materiale per l'acqua. Le simulazioni hanno mostrato che l'acqua sopprime la formazione di rotoli aumentando l'adesione del grafene alla superficie.

Sebbene ciò limiti notevolmente le potenziali applicazioni del materiale ibrido, la sua capacità di mantenere la superlubrificazione in ambienti asciutti è di per sé una svolta significativa.

Il team di ricerca sta cercando un brevetto per il materiale ibrido, potenzialmente utilizzabili per applicazioni in ambienti asciutti, come i dischi rigidi dei computer, ingranaggi delle turbine eoliche, e tenute meccaniche rotanti per sistemi microelettromeccanici e nanoelettromeccanici.

Ad aumentare l'attrattiva del materiale è un metodo di deposizione relativamente semplice ed economico chiamato colaggio a goccia. Questa tecnica prevede la spruzzatura di soluzioni dei materiali su parti meccaniche in movimento. Quando le soluzioni evaporano, lascerebbe il grafene e i nanodiamanti su un lato di una parte mobile, e carbonio simile al diamante dall'altro lato.

Però, la conoscenza acquisita dal loro studio è forse ancora più preziosa, disse Deshmukh. Si aspetta che il meccanismo a nanoscorrimento stimolerà gli sforzi futuri per sviluppare materiali capaci di superlubrificazione per un'ampia gamma di applicazioni meccaniche.

Da parte loro, il team di Argonne continuerà i suoi studi computazionali per cercare modi per superare la barriera rappresentata dall'acqua.

"Stiamo esplorando diverse funzionalizzazione della superficie per vedere se possiamo incorporare qualcosa di idrofobo che tenga fuori l'acqua, " disse Sankaranarayanan. "Finché puoi respingere l'acqua, i nanoscroll di grafene potrebbero potenzialmente funzionare anche in ambienti umidi".

Simulazione di milioni di atomi

La rivoluzionaria scoperta di nanoscroll del team non sarebbe stata possibile senza un supercomputer come Mira. La replica della configurazione sperimentale ha richiesto la simulazione di fino a 1,2 milioni di atomi per ambienti secchi e fino a 10 milioni di atomi per ambienti umidi.

I ricercatori hanno utilizzato il codice LAMMPS (Large-scale Atomic/Molecular Massively Parallel Simulator) per eseguire le simulazioni di dinamica molecolare reattiva computazionalmente impegnative.

Con l'aiuto dei catalizzatori ALCF, un team di scienziati computazionali che lavorano direttamente con gli utenti ALCF, sono stati in grado di superare un collo di bottiglia delle prestazioni con il modulo ReaxFF del codice, un pacchetto aggiuntivo necessario per modellare le reazioni chimiche che si verificano nel sistema.

I catalizzatori ALCF, in collaborazione con ricercatori di IBM, Laboratorio Nazionale Lawrence Berkeley, e Laboratori Nazionali Sandia, LAMMPS ottimizzato e la sua implementazione di ReaxFF aggiungendo threading OpenMP, sostituire la comunicazione punto-punto MPI con i collettivi MPI in algoritmi chiave, e sfruttando l'I/O MPI. Del tutto, questi miglioramenti hanno permesso al codice di funzionare due volte più velocemente di prima.

"Con le ottimizzazioni del codice in atto, siamo stati in grado di modellare i fenomeni in sistemi sperimentali reali in modo più accurato, " Ha detto Deshmukh. "Le simulazioni su Mira ci hanno mostrato alcune cose incredibili che non potevano essere viste nei test di laboratorio".

E con il recente annuncio di Aurora, il supercomputer di nuova generazione dell'ALCF, Sankaranarayanan è entusiasta di dove questa linea di ricerca potrebbe andare in futuro.

"Dato l'avvento di risorse di calcolo come Aurora e l'ampia gamma di materiali bidimensionali e tipi di nanoparticelle disponibili, prevediamo la creazione di un genoma lubrificante ad un certo punto in futuro, " ha detto. "Avere un database dei materiali come questo ci consentirebbe di selezionare e scegliere i materiali lubrificanti per condizioni operative specifiche".

I ricercatori hanno recentemente pubblicato i risultati di questo progetto in a Science Express .