Een internationaal team van wetenschappers ontdekte met behulp van supercomputersimulaties dat door het buigen van diamant de thermische geleidbaarheid ervan drastisch naar boven of naar beneden kan worden bijgesteld. Wetenschappers over de hele wereld zijn geïnteresseerd in het bestuderen van elastische rektechniek om de eigenschappen te ontdekken die materialen vertonen wanneer ze onder grote trek- of schuifspanningen staan.

Dit soort bevindingen zouden de deur kunnen openen voor de ontwikkeling van nieuwe micro-elektronische en opto-elektronische apparaten zoals computerchips, kwantumsensoren, communicatieapparatuur en meer.

"Onze studie demonstreert het raamwerk voor het in kaart brengen van de volledige grens van de fononstabiliteit in een zesdimensionale spanningsruimte, die de engineering van materialen kan begeleiden door middel van elastische spanningstechniek", zegt Frank Shi, een voormalig onderzoeker bij de afdeling Nucleaire Wetenschappen en Techniek en de afdeling of Materials Science and Engineering aan het Massachusetts Institute of Technology.

Shi was co-auteur van het onderzoek dat de instelbare thermische geleidbaarheid van diamant onthulde, gepubliceerd in de Proceedings of the National Academy of Sciences in februari 2024.

Shi en collega's ontwikkelden een computationeel model dat was gekalibreerd op basis van experimentele gegevens met behulp van neutronen- en röntgenverstrooiing van onvervormde diamant om de fysieke eigenschappen van gespannen diamant te bepalen, zoals fononstabiliteit, fononbandstructuren en fononlevensduur.

"Door dit raamwerk toe te passen, hebben we ontdekt dat de thermische geleidbaarheid van diamant bij kamertemperatuur met meer dan 90% kan worden verhoogd of verlaagd door mechanische spanningen zonder instabiliteiten in het materiaal te veroorzaken," voegde Shi eraan toe.

Shi voltooide in 2021 eerder werk dat kwantummechanische berekeningen uitvoerde van de elektronische bandstructuur van diamant, die de energie van elektronen beschrijft en belangrijk was bij het construeren van het roostertrillingsmodel.

Het wetenschappelijke team gebruikte een Frontera-supercomputer in het Texas Advanced Computing Center (TACC). Ze begonnen met een Pathways-toewijzing en breidden zich later uit naar een Leadership Resource Allocation van maximaal vijf miljoen node-uren.

"We hebben Frontera gebruikt om de gegevens te genereren uit de grote, zesdimensionale spanningsruimte, naast de driedimensionale fononbandstructuur", zegt co-auteur Ju Li, hoogleraar Materials Science and Engineering en de Battelle Energy Alliance Professor in Nuclear. Techniek bij MIT.

Li gebruikte Frontera om duizenden dichtheidsfunctionaaltheorieberekeningen uit te voeren om de fononbandstructuur en fononverstrooiingseigenschappen te bepalen als een functie van de rektensor. Vervolgens trainden ze een DPU-netwerk (data processing unit) met behulp van machinaal leren om een ​​negendimensionale responsfunctie voor het model te genereren.

"En daarmee zijn we in staat om op een snelwerkende manier de trillingseigenschappen en elektronische eigenschappen van diamant voor willekeurige spanning te bieden," voegde Li eraan toe. "Het is nu een veel goedkopere berekening met het machine learning-model. Voor het eerst zijn we in staat om het zesdimensionale 'ideale rek'-oppervlak volledig af te bakenen."

Volgens Li bevordert dit werk het concept van ideale rek, voor het eerst voorgesteld door Yakov Frenkel in 1926, dat een margegetal geeft voor eenvoudige afschuiving, waarbij geen rekening wordt gehouden met de individuele eigenschappen van het materiaal.

"Met de Frontera-supercomputer konden we voor het eerst een navigatiekaart maken van de elastische spanningsruimte die de fononstabiliteit en thermische geleidbaarheid van diamant regelt", voegde Li eraan toe.

In laptops en mobiele telefoons wordt standaard siliciumtechnologie gebruikt om het kristalrooster van de transistor met ongeveer één procent uit te rekken, waardoor de elektronen sneller in het siliciumkanaal bewegen.

"We gaan naar 10%", zei Li. "En omdat het een zesdimensionale ruimte is, als ik de rekgrootte met een factor 10 verhoog, wordt het parametrische volume ervan met een factor een miljoen groter in de elastische rekruimte. Daarom hebben we een krachtige berekening nodig om de kenmerken."

"De kwantummechanische berekeningen die op Frontera zijn uitgevoerd, hebben ons de grondwaarheid van deze gegevens opgeleverd, zodat we een machinaal leermodel konden trainen", voegde Shi eraan toe.

Zonder machinaal leren zouden miljarden berekeningen nodig zijn om het aanzienlijke aantal rektoestanden te modelleren

"Het bespaart ons waardevolle rekentijd zonder dat dit ten koste gaat van de nauwkeurigheid", aldus Shi.

Dit onderzoek past in een grotere wetenschappelijke inspanning genaamd het Material Genome Initiative (MGI), een conceptueel analoog aan het Human Genome Project dat genen in het menselijk genoom in kaart bracht en de sequentie ervan in kaart bracht. Het MGI integreert geavanceerde modellering, computationele en experimentele tools en kwantitatieve gegevens om de ontdekking van geavanceerde materialen die worden gebruikt in batterijen, computerchips en meer te versnellen.

"De extra zes vrijheidsgraden die we hebben bestudeerd, geven ons enorme nieuwe vrijheden", zei Li. De vibratie-eigenschappen van fononen zijn van cruciaal belang voor supergeleiding, thermo-elektrische eigenschappen en thermische geleidbaarheid.

Li voegde eraan toe dat Frontera een “geweldige” hulpbron is, niet alleen voor onderzoek, maar ook voor onderwijs en de ontwikkeling van het personeelsbestand. "Voor mijn groep heeft het systeem mij geholpen stagiaires uit West Point te begeleiden van de ROTC-studenten. Ze vinden het uiterst gemakkelijk toegankelijk en te gebruiken", zei Li.

Er is vaak gezegd dat supercomputers het ontdekkingsproces van de materiaalwetenschap helpen versnellen.

"Ze stellen ons in staat simulaties te gebruiken om snel verfijnde modellen te herhalen op basis van nieuwe gegevens en vervolgens verschillende benaderingen van materiaalontwerp en -vinding te verkennen", concludeerde Shi. "Deze snelle cyclus van het testen van hypothesen versnelt de overgang van theoretische inzichten naar praktische toepassingen. Het is een belangrijk en broodnodig paradigma voor materiaalwetenschappers om modern onderzoek uit te voeren."