Ya sea que se trate de superconductores de alta temperatura y almacenamiento de energía mejorado para metales flexibles y telas capaces de absorber líquidos por completo, los científicos de materiales estudian y entienden la física de los átomos que interactúan en los sólidos para finalmente encontrar formas de mejorar los materiales que usamos en todos los aspectos del día a díavida.
Sin embargo, la frontera de la investigación de la ciencia de los materiales no radica en el ensayo y error alquímico; para comprender y mejorar mejor los materiales hoy en día, los investigadores deben poder estudiar las propiedades de los materiales a escala atómica y en condiciones extremas. Como resultado, los investigadores tienen cada vez másconfíe en simulaciones para complementar o informar a los experimentos sobre las propiedades y comportamientos de los materiales.
Un equipo de investigadores dirigido por el Dr. Arkady Krasheninnikov, físico en Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf, se asocia con experimentadores para responder preguntas fundamentales sobre las propiedades de los materiales, y el equipo recientemente tuvo un gran avance: los experimentadores pudieron observaren tiempo real el comportamiento de los átomos de litio cuando se coloca entre dos láminas de grafeno. Una lámina de grafeno es lo que los investigadores consideran un material 2D, ya que tiene solo un átomo de espesor, lo que permitió observar el movimiento del átomo de litio en una microscopía electrónica de transmisión TEMexperimentos.
Con acceso a recursos de supercomputación a través del Centro Gauss de Supercomputación GCS, el equipo de Krasheninnikov pudo utilizar la supercomputadora Hazel Hen del Centro de Computación de Alto Rendimiento de Stuttgart HLRS para simular, confirmar y ampliar los hallazgos experimentales del equipo.El trabajo colaborativo fue publicado recientemente en Naturaleza .
"Los materiales 2D exhiben propiedades útiles y emocionantes, y pueden usarse para muchas aplicaciones diferentes, no solo como soporte en TEM", dice Krasheninnikov. "Esencialmente, los materiales 2D están a la vanguardia de la investigación de materiales.un par de miles de estos materiales, y se han fabricado aproximadamente 50 ".
bajo el microscopio
Para comprender mejor los materiales 2D de forma experimental, los investigadores usan TEM de forma rutinaria hoy en día. El método permite a los investigadores suspender piezas pequeñas y delgadas de un material, luego pasar un haz de electrones de alta energía sobre él, creando finalmente una imagen ampliada del material que los investigadorespuede estudiar, al igual que un proyector de películas toma imágenes de un carrete y las proyecta en una pantalla más grande. Con esta vista en un material, los experimentadores pueden trazar y estimar mejor las posiciones y los arreglos de los átomos.
Sin embargo, el haz de alta energía puede hacer más que ayudar a los investigadores a observar materiales: también es una herramienta para estudiar las propiedades electrónicas de los materiales 2D. Además, los investigadores pueden usar los electrones de alta energía de TEM para eliminar átomos individualesde un material con alta precisión para ver cómo cambia el comportamiento del material en función del cambio estructural.
Recientemente, los experimentadores del Instituto Max Planck para la Investigación del Estado Sólido, Stuttgart y la Universidad de Ulm querían comprender mejor cómo interactúan las partículas de litio entre dos láminas de grafeno delgadas de un átomo. Comprender mejor la intercalación de litio o colocar el litio entre capas de otro material en este caso, el grafeno, ayuda a los investigadores a desarrollar nuevos métodos para diseñar mejores tecnologías de batería. Los experimentadores obtuvieron datos de TEM y le pidieron a Krasheninnikov y sus colaboradores que racionalizaran el experimento utilizando la simulación.
Las simulaciones permiten a los investigadores ver la estructura atómica de un material desde una variedad de ángulos diferentes, y también pueden ayudar a acelerar el enfoque de prueba y error para diseñar nuevos materiales simplemente a través del experimento. "Las simulaciones no pueden hacer el trabajo completo, pero"Realmente puede limitar el número de posibles variantes y mostrar la dirección en qué dirección ir", dice Krasheninnikov. "Las simulaciones ahorran dinero para las personas que trabajan en investigación fundamental e industria, y como resultado, el modelado por computadora se está volviendo cada vez más popular".
En este caso, Krasheninnikov y sus colaboradores descubrieron que las coordenadas atómicas de los experimentadores, o las posiciones de las partículas en el material, no serían estables, lo que significa que el material desafiaría las leyes de la mecánica cuántica. Usando datos de simulación, Krasheninnikov ysus colaboradores sugirieron una estructura atómica diferente, y cuando el equipo volvió a ejecutar su experimento, encontró una combinación perfecta con la simulación.
"A veces no se necesita mucha teoría para comprender la estructura atómica basada en resultados experimentales, pero otras veces es realmente imposible comprender la estructura sin enfoques computacionales precisos que van de la mano con el experimento", Krasheninnikovdice.
Los experimentadores pudieron, por primera vez, observar en tiempo real cómo se comportan los átomos de litio cuando se colocan entre dos láminas de grafeno, y con la ayuda de simulaciones, obtener información sobre cómo estaban dispuestos los átomos. Anteriormente se suponía queEn tal disposición, el litio se estructuraría como una sola capa atómica, pero la simulación mostró que el litio podría formar bicapas o tricapas, al menos en grafeno de dos capas, lo que llevaría a los investigadores a buscar nuevas formas de mejorar la eficiencia de la batería.
carga hacia adelante
Krasheninnikov señaló que, si bien la simulación ha avanzado mucho en la última década, todavía hay margen de mejora. El equipo puede ejecutar efectivamente simulaciones de primeros principios de sistemas de 1,000 átomos durante períodos de tiempo para observar a corto plazo nanosegundosescala interacciones materiales. El mayor número de núcleos en las supercomputadoras de próxima generación permitirá a los investigadores incluir más átomos en sus simulaciones, lo que significa que pueden modelar cortes más realistas y significativos de un material en cuestión.
El mayor desafío, de acuerdo con Krasheninnikov, se relaciona con el tiempo que los investigadores pueden simular las interacciones materiales. Para estudiar los fenómenos que ocurren durante períodos más largos de tiempo, como la forma en que el estrés puede formarse y propagar una grieta en el metal, por ejemplo, los investigadoresnecesitan ser capaces de simular minutos o incluso horas para ver cómo cambia el material. Dicho esto, los investigadores también necesitan tomar pasos de tiempo extremadamente pequeños en sus simulaciones para modelar con precisión las interacciones atómicas ultrarrápidas. Simplemente usar más núcleos de cómputo les permite a los investigadoreshacer cálculos para sistemas más grandes más rápido, pero no puede acelerar cada paso si se alcanza un cierto umbral de 'paralelización'.
Romper este logjam requerirá que los investigadores modifiquen los algoritmos para calcular de manera más eficiente cada paso de tiempo en una gran cantidad de núcleos. Krasheninnikov también indicó que diseñar códigos basados en la computación cuántica podría permitir simulaciones capaces de observar fenómenos materiales que suceden durante períodos de tiempo más largos.- las computadoras cuánticas "pueden ser perfectas para simular fenómenos cuánticos. Independientemente de la dirección que tomen los investigadores, Krasheninnikov señaló que el acceso a los recursos de supercomputación a través de GCS y PRACE les permite a él y a su equipo seguir progresando". Nuestro equipo no puede hacer una buena investigación sin una buena informáticarecursos ", dijo.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Centro Gauss para Supercomputación . Original escrito por Eric Gedenk. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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