Zeer kleine draden, nanodraden genoemd, gemaakt van metalen als zilver en goud, kunnen een cruciale rol spelen als elektrische of mechanische schakelaars bij de ontwikkeling van ultrakleine nanodevices van de toekomstige generatie.

Om nano-apparaten te laten werken, is een diep begrip nodig van hoe deze en andere nanostructuren kunnen worden ontworpen en gefabriceerd, evenals hun daaruit voortvloeiende sterke en zwakke punten. Hoe mechanische eigenschappen veranderen op nanoschaal is van fundamenteel belang en kan implicaties hebben voor een verscheidenheid aan nanostructuren en nano-apparaten.

Een belangrijke beperkende factor voor dit begrip was dat experimenten om te testen hoe nanodraden vervormen vele malen langzamer zijn dan computersimulaties kunnen gaan, wat resulteert in meer onzekerheid in de simulatievoorspellingen dan wetenschappers zouden willen.

"Moleculaire dynamische simulaties bestaan ​​al heel lang, "Zei Arthur Voter van de Theoretische Afdeling van het Los Alamos National Laboratory. "Maar de simulaties zijn nooit eerder in staat geweest om de atomaire treksterkte van nanodraden na te bootsen op tijdschalen die zelfs in de buurt komen van de experimentele realiteit."

Met behulp van de "parallel-replica dynamics"-methode voor het bereiken van lange tijdschalen die Kiezer heeft ontwikkeld, leden van Voter's team pasten hun computercode aan om de hybride architectuur van de Roadrunner-supercomputer te benutten, waardoor ze de allereerste simulatie van een uitrekkende zilveren nanodraad kunnen uitvoeren over een periode van een milliseconde, of een duizendste van een seconde, een tijd die in de buurt komt van wat experimenteel kan worden getest.

"Grotere supercomputers hebben het mogelijk gemaakt om simulaties uit te voeren op grotere en grotere systemen, maar ze hebben niet veel geholpen met het bereiken van langere tijden - het beste wat we kunnen doen is nog steeds ongeveer een miljoenste van een seconde. Echter, met het parallel-replica-algoritme, we kunnen het grote aantal processors gebruiken om de tijd te 'parallellen', " zei Kiezer. "Roadrunner is bij uitstek geschikt voor dit algoritme, dus nu kunnen we simulaties duizenden keren langer doen dan dit."

Met dit nieuwe instrument wetenschappers kunnen beter bestuderen wat nanodraden doen onder stress. "Op langere tijdschalen zien we interessante effecten. Wanneer de draden langzamer worden uitgerekt, hun gedrag verandert -- de vervormings- en faalmechanismen zijn heel anders dan wat we op kortere tijdschalen hebben gezien, " zei Kiezer.

Door deze simulaties Kiezer en zijn team ontwikkelen een beter begrip van hoe materialen zich gedragen wanneer ze worden verkleind tot de grootte van een nanometer, of een miljardste van een meter. "Op deze schaal de beweging van slechts één enkel atoom kan de mechanische of elektrische eigenschappen van het materiaal veranderen, " zei de kiezer, "Dus het is erg handig om een ​​tool te hebben die ons volledige atomaire resolutie kan geven op realistische tijdschalen, bijna alsof we elk atoom in de gaten houden terwijl het experiment vordert."

Bron:Los Alamos National Laboratory (nieuws:web)