Gli scienziati dei materiali studiano e comprendono la fisica degli atomi interagenti nei solidi per trovare modi per migliorare i materiali che usiamo in ogni aspetto della vita quotidiana. La frontiera di questa ricerca non sta in prove ed errori, anche se; per capire meglio e migliorare i materiali oggi, i ricercatori devono essere in grado di studiare le proprietà dei materiali su scala atomica e in condizioni estreme. Di conseguenza, i ricercatori fanno sempre più affidamento sulle simulazioni per integrare o informare gli esperimenti sulle proprietà e sui comportamenti dei materiali.

Un team di ricercatori guidati dal Dr. Arkady Krasheninnikov, fisico all'Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf, collabora con sperimentatori per rispondere a domande fondamentali sulle proprietà dei materiali, e il team ha recentemente riportato una svolta:gli sperimentatori sono stati in grado di osservare in tempo reale il comportamento degli atomi di litio quando vengono posti tra due fogli di grafene. Un foglio di grafene è un materiale 2-D, poiché è spesso solo un atomo, che ha permesso di osservare il movimento dell'atomo di litio negli esperimenti di microscopia elettronica a trasmissione (TEM).

Con accesso alle risorse di supercalcolo presso il Gauss Center of Supercomputing (GCS), Il team di Krasheninnikov ha utilizzato il supercomputer Hazel Hen del Centro di calcolo ad alte prestazioni di Stoccarda (HLRS) per simulare, confermare ed espandere i risultati sperimentali del team. Il lavoro di collaborazione è stato recentemente pubblicato in Natura .

"I materiali bidimensionali mostrano proprietà utili ed eccitanti, e può essere utilizzato per molte applicazioni, non solo come supporto in TEM, " dice Krasheninnikov. "Essenzialmente, I materiali 2-D sono all'avanguardia nella ricerca sui materiali. Ci sono probabilmente circa un paio di migliaia di questi materiali, e circa 50 sono stati effettivamente realizzati."

Al microscopio

Per comprendere meglio i materiali 2-D sperimentalmente, i ricercatori usano abitualmente TEM. Il metodo consente loro di sospendere piccoli, pezzi sottili di un materiale e vi passano sopra un fascio di elettroni ad alta energia, creando infine un'immagine ingrandita del materiale che i ricercatori possono studiare, proprio come un proiettore cinematografico prende le immagini da una bobina e le proietta su uno schermo più grande. Con questa vista in un materiale, gli sperimentatori possono tracciare e stimare meglio le posizioni e le disposizioni degli atomi.

Il raggio ad alta energia può fare molto di più che aiutare i ricercatori a osservare i materiali, tuttavia, è anche uno strumento per studiare le proprietà elettroniche dei materiali 2-D. Inoltre, i ricercatori possono utilizzare gli elettroni ad alta energia di TEM per eliminare singoli atomi da un materiale con elevata precisione per vedere come cambia il comportamento del materiale in base al cambiamento strutturale.

Recentemente, sperimentalisti del Max Planck Institute for Solid State Research, Stoccarda e l'Università di Ulm volevano capire meglio come interagiscono le particelle di litio tra due fogli di grafene sottili come un atomo. Migliore comprensione dell'intercalazione del litio, o ponendo litio tra strati di altro materiale (in questo caso, grafene), aiuta i ricercatori a sviluppare migliori tecnologie per le batterie. Gli sperimentali hanno ottenuto dati dal TEM e hanno chiesto a Krasheninnikov e ai suoi collaboratori di razionalizzare l'esperimento usando la simulazione.

Le simulazioni consentono ai ricercatori di vedere la struttura atomica di un materiale da una varietà di angolazioni diverse, e possono anche accelerare l'approccio per tentativi ed errori alla progettazione di nuovi materiali puramente attraverso esperimenti. "Le simulazioni non possono fare il lavoro completo, ma possono davvero limitare il numero di possibili varianti, e mostra la direzione da che parte andare, " Dice Krasheninnikov. "Le simulazioni fanno risparmiare denaro per le persone che lavorano nella ricerca fondamentale e nell'industria, e come risultato, la modellazione al computer sta diventando sempre più popolare."

In questo caso, Krasheninnikov e i suoi collaboratori scoprirono che le coordinate atomiche degli sperimentalisti, o le posizioni delle particelle nel materiale, non sarebbe stabile, il che significa che il materiale sfiderebbe le leggi della meccanica quantistica. Utilizzando i dati di simulazione, Krasheninnikov e i suoi collaboratori suggerirono una diversa struttura atomica, e quando il team ha ripetuto l'esperimento, ha trovato una corrispondenza perfetta con la simulazione.

"A volte non hai davvero bisogno di un'alta teoria per capire la struttura atomica basata su risultati sperimentali, ma altre volte è davvero impossibile capire la struttura senza approcci computazionali accurati che vanno di pari passo con l'esperimento, " dice Krasheninnikov.

Per la prima volta, gli sperimentatori hanno osservato in tempo reale come si comportano gli atomi di litio quando sono posti tra due fogli di grafene, e con l'aiuto di simulazioni, acquisito informazioni su come erano disposti gli atomi. In precedenza si presumeva che in una tale disposizione, il litio sarebbe strutturato come un unico strato atomico, ma la simulazione ha mostrato che il litio potrebbe formare due o tre strati, almeno nel grafene bistrato, portando i ricercatori a cercare nuovi modi per migliorare l'efficienza della batteria.

Il team ha effettivamente eseguito simulazioni dei primi principi di 1, Sistemi da 000 atomi per periodi di tempo per osservare interazioni materiali a breve termine (scala temporale di nanosecondi). Un numero maggiore di core sui supercomputer di nuova generazione consentirà ai ricercatori di includere più atomi nelle loro simulazioni, il che significa che possono modellare sezioni più realistiche e significative di un materiale in questione.

La sfida più grande, secondo Krasheninnikov, si riferisce a quanto tempo i ricercatori possono simulare le interazioni dei materiali. Per studiare i fenomeni che si verificano in periodi di tempo più lunghi, come il modo in cui lo stress può formare e propagare una crepa nel metallo, Per esempio, i ricercatori devono essere in grado di simulare minuti o addirittura ore per vedere come cambia il materiale. Detto ciò, i ricercatori devono anche impiegare tempi estremamente ridotti nelle loro simulazioni per modellare accuratamente le interazioni atomiche ultraveloci. Il semplice utilizzo di più core di computer consente ai ricercatori di eseguire calcoli per sistemi più grandi più velocemente, ma non può velocizzare ogni passo temporale se viene raggiunta una certa soglia di parallelizzazione.

Rompere questo ingorgo richiederà ai ricercatori di rielaborare gli algoritmi per calcolare in modo più efficiente ogni volta che passa attraverso un gran numero di core. Krasheninnikov ha anche indicato che la progettazione di codici basati sull'informatica quantistica potrebbe consentire simulazioni in grado di osservare fenomeni materiali che si verificano su periodi di tempo più lunghi:i computer quantistici potrebbero essere perfetti per simulare fenomeni quantistici. Indipendentemente dalla direzione che prendono i ricercatori, Krasheninnikov ha notato che l'accesso alle risorse di supercalcolo tramite GCS e PRACE consente a lui e al suo team di fare progressi continui. "Il nostro team non può fare una buona ricerca senza buone risorse informatiche, " Egli ha detto.