Met de komst van lasertechnologie in de jaren 60, materiaalwetenschappers hebben een nieuw hulpmiddel gekregen om materialen te bestuderen en te wijzigen. Vandaag, lasers stellen onderzoekers in staat om materialen op atomair en subatomair niveau te manipuleren, leidend tot nieuwe materialen en tal van andere toepassingen.

Bijvoorbeeld, door de lasergolflengte te regelen, intensiteit, en pulsduur, onderzoekers kunnen metalen modificeren om nuttige nieuwe eigenschappen te vertonen voor een breed scala aan toepassingen. Tot de afgelopen jaren, onderzoekers vertrouwden op experimenteel vallen en opstaan ​​om de gewenste eigenschappen te bereiken, maar in het tijdperk van supercomputers, experimenten kunnen worden gedaan in een virtueel laboratorium.

Professor Leonid Zhigilei van de Universiteit van Virginia leidde een team dat zo'n virtueel laboratorium maakte met behulp van computerbronnen in de Oak Ridge Leadership Computing Facility (OLCF), een US Department of Energy (DOE) Office of Science User Facility in het Oak Ridge National Laboratory van DOE. Het team gebruikte de Titan-supercomputer van OLCF om dieper inzicht te krijgen in laserinteracties met metalen oppervlakken.

"Snelle uitbreiding van praktische toepassingen van ultrakorte pulslaserverwerking, inclusief engineering van nieuwe materialen, vereist begrip van fundamentele mechanismen van laser-geïnduceerde structurele en fasetransformaties, "Zei Zhigilei. "Experimenteel onderzoek naar deze transformaties, die plaatsvinden op de tijdschaal van picoseconden (een biljoenste van een seconde), is moeilijk, duur, en vaak niet eens haalbaar. Het uitvoeren van 'virtuele experimenten' op een supercomputer biedt een aantrekkelijk alternatief.

"Bovendien, computationele resultaten kunnen leiden tot gerichte experimentele verkenning van de meest veelbelovende bestralingsregimes of interessante fenomenen die in de simulaties worden voorspeld, " hij zei.

Door een combinatie van virtuele en real-world experimenten te gebruiken, het team krijgt een fundamenteel begrip van de mechanismen voor materiaalinteracties veroorzaakt door lasers.

Korte pulsen, grote simulaties

De term laser is eigenlijk een acroniem voor lichtversterking door gestimuleerde emissie van straling. Het zichtbare licht dat we in ons dagelijks leven zien, is elektromagnetische straling - energie - die valt binnen een golflengte die onze ogen kunnen waarnemen. Atomen moeten opgewonden zijn om hun lichtgevende energie vrij te geven, Hoewel, en lasers benutten de energie van deze atomen in stralen.

Deze bundels zijn een verzameling coherente lichtgolven. De hoeveelheid energie die ze dragen, echter, kan sterk variëren, en zowel laag- als hoogenergetische lasers hebben een enorme impact gehad op het moderne leven. Laagenergetische lasers hielpen het tijdperk van cd's en dvd's in te luiden, terwijl hoogenergetische lasers talloze medische procedures hebben vereenvoudigd en een breed scala aan materiaalontwerptoepassingen mogelijk hebben gemaakt. Dit laatste vereist precisie en een gedetailleerd begrip van hoe lasers interageren met een materiaal op nanoschaal.

Zhigilei merkte op dat zijn team zich heeft gericht op het begrijpen van de ultrasnelle faseovergangen die worden veroorzaakt door laserbestraling, of de paden die het materiaal neemt om van de ene toestand van materie naar de andere te gaan, zoals ijs dat smelt en water wordt.

Als een warmtebron een ijsblokje raakt, bijvoorbeeld, het begint te smelten op het verwarmingspunt. Warmte wordt vervolgens overgebracht naar de koudere streken erachter, het smelten van de hele kubus in wezen van voor naar achter. De intense energie van lasers, Hoewel, maakt het mogelijk dat hetzelfde ijsblokje van binnenuit smelt of in verschillende regio's tegelijk smelt. In het geval van een ijsblokje, de hele vaste stof verandert uiteindelijk in water, maar wanneer onderzoekers veranderingen in metalen oppervlakken op nanoschaal proberen te catalogiseren, het beeld wordt complexer. Het begrijpen van de details van deze faseovergangen is essentieel voor het voorspellen van materiaaleigenschappen die van belang kunnen zijn voor praktische toepassingen.

Het team van Zhigilei gebruikt supercomputers om deze fasetransformaties op atomaire schaal te simuleren. Om zinvolle simulaties te maken, Hoewel, het team moet miljoenen simuleren of, in sommige gevallen, miljarden atomen. Ze kunnen dan kijken hoe atomen bewegen over een reeks zeer korte momenten in de tijd die tijdstappen worden genoemd. Door lange simulaties uit te voeren bestaande uit miljoenen tijdstappen, onderzoekers kunnen mogelijk alle processen observeren die plaatsvinden tijdens een laser-metaalinteractie gedurende een totale tijd van enkele nanoseconden (elke nanoseconde is een miljardste van een seconde). Het team voerde onlangs een simulatie van zilver uit met 2,8 miljard atomen gedurende 3,2 nanoseconden, waardoor het voor het eerst de morfologie van het bevroren oppervlak - de oppervlaktestructuur - kan vergelijken met experimentele gegevens.

Nieuwe nanostructuren uit de metaalmorfologie

Lasers kunnen metalen met veel nieuwe eigenschappen doordringen. Een manier om dit te doen is door laserablatie te gebruiken, of het proces van selectief verwijderen van kleine hoeveelheden materiaal, waardoor de oppervlaktemorfologie en microstructuur veranderen. Hoewel vaak onzichtbaar voor het menselijk oog, dit proces kan grote veranderingen aanbrengen in de eigenschappen van een metaal. Laserablatie bestraalt het oppervlak van metaal in een snelle, gewelddadige interactie, het creëren van zeer kleine explosies van deeltjes die uit het materiaal worden verwijderd. Terwijl het metaal afkoelt, het vertoont nieuwe eigenschappen, afhankelijk van het proces.

Ingenieurs kunnen lasers gebruiken om de interactie van een metalen oppervlak met water te beïnvloeden, waardoor water in een bepaalde richting van het oppervlak moet rollen, bijvoorbeeld. Onderzoekers kunnen zwarte oppervlakken op metalen creëren zonder verf of andere synthetische materialen te gebruiken. Ook kunnen korte laserpulsen plaatselijk de hardheid van metalen wijzigen; voor meer flexibiliteit, ingenieurs kunnen een harde buitenkant van een metalen monster maken terwijl de binnenkant zachter blijft.

Vaak, metaalbewerking vindt plaats in een vacuüm, waardoor ingenieurs kunnen voorkomen dat verontreinigingen in het verwerkte materiaal terechtkomen. Hoewel het Zhigilei-team zich voornamelijk richtte op het simuleren van metaal-laserinteracties in een vacuüm, dankzij de rekentijd die werd toegekend via het programma Innovative and Novel Computational Impact on Theory and Experiment (INCITE) kon het team deze processen in complexere scenario's simuleren, ook. "Laserablatie in vloeistoffen, vooral, wordt actief gebruikt voor het genereren van schone colloïdale nanodeeltjes [nanodeeltjes die onoplosbaar zijn en gelijkmatig verspreid in een oplosmiddel] met unieke vormen en functionaliteiten geschikt voor toepassingen op verschillende gebieden, inclusief biogeneeskunde, chemische katalyse, en plasmonica, " zei teamlid en afgestudeerde student Cheng-Yu Shih van de Universiteit van Virginia.

"Terwijl, experimenteel, het is aangetoond dat de vloeibare omgeving de grootteverdelingen van nanodeeltjes en de microstructuur van met laser gemodificeerde oppervlakken sterk beïnvloedt, de fysieke mechanismen van laseroppervlakmodificatie en ablatie in vloeistoffen zijn nog steeds slecht begrepen. De interactie van de ablatiepluim [een wolk van metaaldamp en kleine druppeltjes die door het bestraalde doel worden uitgestoten] met de vloeibare omgeving voegt een extra laag complexiteit toe aan de laserablatie. Atomistische simulaties helpen licht te werpen op de eerste, zeer kritische fase van ablatiepluim en vloeistofinteractie en voorspellen de daaropvolgende vormingsmechanismen van nanodeeltjes op atomair niveau. Met toegang tot de INCITE-bronnen, wordt het mogelijk om het uitdagende probleem van atomistische modellering van het genereren van nanodeeltjes door laserablatie in vloeistoffen aan te pakken, ’ vervolgde Shih.

Het vermogen van het team om zijn simulaties uit te breiden, kwam van het uitrusten van de code om versnellers zoals de GPU's van Titan te gebruiken. Tijdens het INCITE-project, het team werkte samen met Mark Berrill, de wetenschappelijke liaison van OLCF, en de gebruikersondersteuningsmedewerkers van OLCF om de prestaties van hybride code te verbeteren.

Als resultaat, het team was in staat om een ​​zevenvoudige versnelling te bereiken ten opzichte van CPU-only methoden. Deze versnellingen hielpen het team groter te rennen, complexere simulaties en het onderzoek uitbreiden naar de simulaties van metaalverwerking buiten een vacuüm. In aanvulling, OLCF-medewerkers hielpen het team de I/O-prestaties van de codes te optimaliseren door de Adaptive I/O System-middleware (ADIOS) in de code te implementeren.

Het team werkte ook samen met OLCF-computerwetenschapper Benjamin Hernandez om te helpen bij de visualisatie van atomaire configuraties die uit miljarden atomen bestaan.

Het team schrijft verschillende computerbronnen toe aan het succes ervan. "Met een sterk geoptimaliseerde computercode die parallel loopt op duizenden computerknooppunten en volledig gebruik maakt van de mogelijkheden van moderne computertechnologie, inclusief lage latentie en hoge bandbreedte-interconnecties tussen de knooppunten en krachtige GPU-versnellers, het nu mogelijk is om de meest ambitieuze en ongelooflijk uitdagende rekenproblemen in ons vakgebied aan te pakken, " zei teamlid en afgestudeerde student Maxim Shugaev van de Universiteit van Virginia.

Het volgende jaar van zijn INCITE-prijs ingaan, het team is van plan zich te concentreren op laser-metaal-interacties in vloeistoffen om een ​​volledig beeld te krijgen van hoe oppervlaktespanning, kritische temperatuur, druk, en verschillende omgevingen regelen de morfologie en microstructuur van het metaaloppervlak.