Toen vroege mensen ontdekten hoe ze vuur konden gebruiken, waren ze in staat om terug te dringen tegen de nachtelijke duisternis die hen omhulde. Met de uitvinding en wijdverbreide toepassing van elektriciteit, werd het gemakkelijker om warmte van licht te scheiden, 's nachts door te werken en treinwagons naar snelwegen te verlichten. In de afgelopen jaren hebben oude vormen van opwekking van elektrisch licht, zoals halogeenlampen, plaatsgemaakt voor energiezuinigere alternatieven, waardoor de kosten voor het opfleuren van onze huizen, werkplekken en levens in het algemeen verder zijn gedaald.

Helaas is het genereren van wit licht door nieuwere technologieën zoals light-emitting diodes (LED's) niet eenvoudig en is het vaak afhankelijk van een categorie materialen die "zeldzame aardmetalen" worden genoemd en die steeds schaarser worden. Dit heeft ertoe geleid dat wetenschappers recentelijk zijn gaan zoeken naar manieren om wit licht duurzamer te produceren. Onderzoekers van de Universiteit van Giessen, de Universiteit van Marburg en het Karlsruhe Institute of Technology hebben onlangs een nieuwe materiaalklasse ontdekt, 'clusterglas' genaamd, dat een groot potentieel biedt voor het vervangen van LED's in veel toepassingen.

"We zijn getuige van de geboorte van technologie voor het genereren van wit licht die de huidige lichtbronnen kan vervangen. Het brengt alle vereisten met zich mee waar onze samenleving om vraagt:beschikbaarheid van hulpbronnen, duurzaamheid, biocompatibiliteit", aldus Prof. Dr. Simone Sanna, professor aan de Giessen University en leiden computationeel onderzoeker op het project.

"Mijn collega's van de experimentele wetenschappen, die deze onverwachte opwekking van wit licht hebben waargenomen, vroegen om theoretische ondersteuning. Clusterglas heeft een ongelooflijke optische respons, maar we begrijpen niet waarom. Computationele methoden kunnen helpen om die mechanismen te begrijpen. Dit is precies de uitdaging die theoretici het hoofd willen bieden."

Sanna en zijn medewerkers hebben gebruik gemaakt van de kracht van high-performance computing (HPC), met behulp van de Hawk-supercomputer in het High-Performance Computing Center Stuttgart (HLRS) om clusterglas beter te begrijpen en hoe het kan dienen als een lichtbron van de volgende generatie . Ze publiceerden hun bevindingen in Advanced Materials .

Heldere blik op clusterglasvorming

Als u geen materiaalwetenschapper of scheikundige bent, betekent het woord glas misschien gewoon het heldere, vaste materiaal in uw ramen of op uw eettafel. Glas is eigenlijk een klasse van materialen die als "amorfe vaste stoffen" worden beschouwd; dat wil zeggen, ze missen een geordend kristalrooster, vaak als gevolg van een snel koelproces. Op atomair niveau bevinden hun samenstellende deeltjes zich in een gesuspendeerde, ongeordende toestand. In tegenstelling tot kristalmaterialen, waar deeltjes ordelijk en symmetrisch zijn over een lange moleculaire afstand, maakt de wanorde van brillen op moleculair niveau ze geweldig voor het buigen, fragmenteren of reflecteren van licht.

Experimentalisten van de Universiteit van Marburg hebben onlangs een bepaald glas gesynthetiseerd dat een 'clusterglas' wordt genoemd. In tegenstelling tot traditioneel glas dat zich bijna gedraagt ​​als een op zijn plaats bevroren vloeistof, is clusterglas, zoals de naam al aangeeft, een verzameling afzonderlijke clusters van moleculen die zich bij kamertemperatuur als een poeder gedragen. Ze genereren helder, helder, wit licht bij bestraling door infraroodstraling. Hoewel poeders niet gemakkelijk kunnen worden gebruikt om kleine, gevoelige elektronische componenten te vervaardigen, hebben de onderzoekers een manier gevonden om ze opnieuw in glasvorm te gieten:"Wanneer we het poeder smelten, verkrijgen we een materiaal dat alle kenmerken van een glas heeft en kan worden in elke vorm die nodig is voor een specifieke toepassing," zei Sanna.

Terwijl experimentatoren het materiaal konden synthetiseren en de lichtgevende eigenschappen ervan konden observeren, wendde de groep zich tot Sanna en HPC om beter te begrijpen hoe clusterglas zich gedraagt. Sanna wees erop dat het genereren van wit licht geen eigenschap is van een enkele molecule in een systeem, maar het collectieve gedrag van een groep moleculen. Het in kaart brengen van de interacties van deze moleculen met elkaar en met hun omgeving in een simulatie betekent daarom dat onderzoekers zowel het grootschalige gedrag van lichtgeneratie moeten vastleggen als ook moeten observeren hoe kleinschalige atomaire interacties het systeem beïnvloeden. Elk van deze factoren zou rekenkundig uitdagend zijn. Het modelleren van deze processen op meerdere schalen is echter alleen mogelijk met behulp van toonaangevende HPC-bronnen zoals Hawk.

Samenwerking tussen experimentatoren en theoretici is steeds belangrijker geworden in de materiaalwetenschap, omdat het synthetiseren van veel iteraties van een soortgelijk materiaal traag en duur kan zijn. High-performance computing, zo gaf Sanna aan, maakt het veel sneller om materialen met nieuwe optische eigenschappen te identificeren en te testen. "De relatie tussen theorie en experiment is een continue lus. We kunnen de optische eigenschappen voorspellen van een materiaal dat is gesynthetiseerd door onze scheikundige collega's, en deze berekeningen gebruiken om de eigenschappen van het materiaal te verifiëren en beter te begrijpen," zei Sanna. "We kunnen ook nieuwe materialen op een computer ontwerpen en informatie verschaffen die scheikundigen kunnen gebruiken om zich te concentreren op het synthetiseren van verbindingen die de grootste kans hebben om bruikbaar te zijn. Op deze manier inspireren onze modellen de synthese van nieuwe verbindingen met op maat gemaakte optische eigenschappen"

In het geval van clusterglas resulteerde deze benadering in een experiment dat werd geverifieerd door simulatie, waarbij modellering hielp om de onderzoekers het verband te laten zien tussen de waargenomen optische eigenschappen en de moleculaire structuur van hun clusterglasmateriaal en kan nu verder gaan als kandidaat om lichtbronnen te vervangen die sterk afhankelijk zijn van zeldzame aardmetalen.

HPC versnelt R&D-tijdlijnen

HPC speelt een belangrijke rol bij het helpen van onderzoekers om de tijdlijn tussen nieuwe ontdekking en nieuw product of nieuwe technologie te versnellen. Sanna legde uit dat HPC de tijd drastisch verkortte om clusterglas beter te begrijpen. "We besteden veel tijd aan simulatie, maar het is veel minder dan het karakteriseren van deze materialen in de werkelijkheid," zei hij. "De clusters die we modelleren hebben een ruitvormige kern waaraan 4 liganden (moleculaire ketens) zijn bevestigd. Die liganden kunnen van allerlei dingen worden gemaakt, dus dit in een experiment doen is tijdrovend."

Sanna wees erop dat het team nog steeds wordt beperkt door hoe lang ze individuele runs voor hun simulaties kunnen uitvoeren. Veel onderzoeksprojecten op supercomputers kunnen een complex systeem opdelen in vele kleine onderdelen en parallel berekeningen uitvoeren voor elk onderdeel. Het team van Sanna moet speciale aandacht besteden aan de interactie van deeltjes over lange afstanden tussen grote systemen, dus ze worden beperkt door de mate waarin ze hun simulatie over computerknooppunten kunnen verdelen. Hij gaf aan dat het team sneller zou kunnen werken als ze regelmatig toegang hadden tot langere looptijden - meer dan een dag achter elkaar op een supercomputer.

In lopende studies van clusterglas hoopt Sanna's team de oorsprong van de lichtgenererende eigenschappen grondig te begrijpen. Dit kan helpen om aanvullende nieuwe materialen te identificeren en om te bepalen hoe clusterglas het beste kan worden toegepast bij het genereren van licht.

Sanna legde uit dat HPC-middelen bij HLRS essentieel waren voor het fundamentele wetenschappelijke onderzoek van zijn team, waarvan hij hoopt dat het zal leiden tot nieuwe producten die de samenleving ten goede kunnen komen. "De belangrijkste computationele prestatie in dit tijdschriftartikel was alleen mogelijk door onze toegang tot de machine in Stuttgart," zei hij. + Verder verkennen

Nieuw glaskeramiek straalt licht uit bij mechanische belasting