Il grafene potrebbe essere tra le scoperte scientifiche più entusiasmanti del secolo scorso. Sebbene ci sia sorprendentemente familiare:il grafene è considerato un allotropo del carbonio, il che significa che essenzialmente è la stessa sostanza della grafite ma in una struttura atomica diversa:il grafene ha anche aperto un nuovo mondo di possibilità per la progettazione e la costruzione di nuove tecnologie.

Il materiale è bidimensionale, il che significa che ogni "foglio" di grafene è spesso solo 1 atomo, ma i suoi legami lo rendono forte come alcune delle leghe metalliche più dure del mondo pur rimanendo leggero e flessibile. Questo prezioso, mix unico di proprietà hanno suscitato l'interesse di scienziati provenienti da una vasta gamma di campi, portando alla ricerca nell'uso del grafene per l'elettronica di prossima generazione, nuovi rivestimenti su strumenti e utensili industriali, e nuove tecnologie biomediche.

È forse l'immenso potenziale del grafene che ha conseguentemente causato una delle sue maggiori sfide:il grafene è difficile da produrre in grandi volumi, e la domanda per il materiale è in continua crescita. Ricerche recenti indicano che l'uso di un catalizzatore di rame liquido può essere un veloce, modo efficiente per produrre grafene, ma i ricercatori hanno solo una comprensione limitata delle interazioni molecolari che avvengono durante questi brevi, momenti caotici che portano alla formazione del grafene, il che significa che non possono ancora utilizzare il metodo per produrre in modo affidabile fogli di grafene impeccabili.

Per affrontare queste sfide e aiutare a sviluppare metodi per una produzione più rapida di grafene, un team di ricercatori dell'Università tecnica di Monaco (TUM) ha utilizzato i sistemi di calcolo ad alte prestazioni (HPC) JUWELS e SuperMUC-NG presso il Jülich Supercomputing Center (JSC) e il Leibniz Supercomputing Center (LRZ) per eseguire l'alta risoluzione simulazioni di formazione di grafene su rame liquido.

Una finestra sull'esperimento

Il fascino del grafene deriva principalmente dalla struttura cristallina perfettamente uniforme del materiale, il che significa che produrre grafene con impurità è uno sforzo sprecato. Per ambienti di laboratorio o circostanze in cui è necessaria solo una piccola quantità di grafene, i ricercatori possono posizionare un pezzo di scotch su un cristallo di grafite e "staccare" gli strati atomici della grafite usando una tecnica che ricorda come si userebbe il nastro adesivo o un altro adesivo per rimuovere i peli degli animali dai vestiti. Mentre questo produce in modo affidabile strati di grafene impeccabili, il processo è lento e poco pratico per la creazione di grafene per applicazioni su larga scala.

L'industria richiede metodi che possano produrre in modo affidabile grafene di alta qualità in modo più economico e veloce. Uno dei metodi più promettenti allo studio prevede l'utilizzo di un catalizzatore di metallo liquido per facilitare l'autoassemblaggio di atomi di carbonio da precursori molecolari in un singolo foglio di grafene che cresce sopra il metallo liquido. Mentre il liquido offre la possibilità di aumentare la produzione di grafene in modo efficiente, introduce anche una serie di complicazioni, come le alte temperature necessarie per fondere i tipici metalli utilizzati, come il rame.

Quando si progettano nuovi materiali, i ricercatori usano gli esperimenti per vedere come gli atomi interagiscono in una varietà di condizioni. Mentre i progressi tecnologici hanno aperto nuove strade per ottenere informazioni sul comportamento su scala atomica anche in condizioni estreme come temperature molto elevate, le tecniche sperimentali non sempre consentono ai ricercatori di osservare le reazioni ultraveloci che facilitano le corrette modifiche alla struttura atomica di un materiale (o quali aspetti della reazione possono aver introdotto impurità). È qui che le simulazioni al computer possono essere di aiuto, però, simulare il comportamento di un sistema dinamico come un liquido non è esente da una serie di complicazioni.

"Il problema che descrive qualcosa di simile è che devi applicare simulazioni di dinamica molecolare (MD) per ottenere il giusto campionamento, " disse Andersen. "Allora, Certo, c'è la dimensione del sistema:è necessario disporre di un sistema sufficientemente grande per simulare accuratamente il comportamento del liquido." A differenza degli esperimenti, le simulazioni di dinamica molecolare offrono ai ricercatori la possibilità di osservare gli eventi che accadono su scala atomica da una varietà di angolazioni diverse o di mettere in pausa la simulazione per concentrarsi su aspetti diversi.

Mentre le simulazioni MD offrono ai ricercatori approfondimenti sul movimento dei singoli atomi e sulle reazioni chimiche che non è stato possibile osservare durante gli esperimenti, hanno le loro sfide. Il principale tra questi è il compromesso tra accuratezza e costo, quando ci si affida a metodi ab initio accurati per guidare le simulazioni MD, è estremamente costoso dal punto di vista computazionale ottenere simulazioni abbastanza grandi e durare abbastanza a lungo da modellare accuratamente queste reazioni in modo significativo.

Andersen e i suoi colleghi hanno usato circa 2, 500 core su JUWELS in periodi di oltre un mese per le recenti simulazioni. Nonostante l'enorme sforzo computazionale, il team poteva ancora simulare solo circa 1, 500 atomi in picosecondi di tempo. Anche se questi possono sembrare numeri modesti, queste simulazioni sono state tra le più grandi fatte di simulazioni ab initio MD di grafene su rame liquido. Il team utilizza queste simulazioni altamente accurate per aiutare a sviluppare metodi più economici per guidare le simulazioni MD in modo che diventi possibile simulare sistemi più grandi e tempi più lunghi senza compromettere la precisione.

Rafforzare gli anelli della catena

Il team ha pubblicato il suo lavoro di simulazione da record nel Giornale di Fisica Chimica , quindi hanno utilizzato quelle simulazioni per confrontare i dati sperimentali ottenuti nel loro articolo più recente, che è apparso in ACS Nano .

Andersen ha indicato che i supercomputer di ultima generazione, come JUWELS e SuperMUC-NG, ha permesso al team di eseguire la sua simulazione. Macchine di nuova generazione, però, aprirebbe ancora più possibilità, poiché i ricercatori potrebbero simulare più rapidamente numeri o sistemi più grandi per periodi di tempo più lunghi.

Andersen ha ricevuto il suo dottorato di ricerca. nel 2014, e ha indicato che la ricerca sul grafene è esplosa nello stesso periodo. "È affascinante che il materiale sia un obiettivo di ricerca così recente:è quasi incapsulato nella mia carriera scientifica che le persone lo abbiano esaminato da vicino, " ha detto. Nonostante la necessità di ulteriori ricerche sull'utilizzo di catalizzatori liquidi per produrre grafene, Andersen ha indicato che il duplice approccio dell'utilizzo sia dell'HPC che dell'esperimento sarebbe essenziale per l'ulteriore sviluppo del grafene e, a sua volta, uso in applicazioni commerciali e industriali. "In questa ricerca, c'è una grande interazione tra teoria ed esperimento, e sono stato su entrambi i lati di questa ricerca, " lei disse.