Supercomputers kunnen worden gebruikt om materialen op zeer uiteenlopende schaalniveaus te simuleren, van de luchtstroom langs de vleugel van een vliegtuig tot de beweging van elektronen rond individuele atomen. Verschillende lengte- en tijdschaaldomeinen bieden verschillende informatieniveaus, maar er is momenteel weinig bekend over hoe deze informatieniveaus met elkaar verbonden zijn. Professor Peter Coveney van University College London leidt een langetermijnprogramma dat tot doel heeft de schalen met elkaar te verbinden, het gedrag van atomen en moleculen in verband brengen met tastbare eigenschappen op macroschaal.

Eind jaren tachtig, onderzoekers van Toyota toonden aan dat door polymeren zoals nylon te versterken met klei op nanoschaal, een aanzienlijke verbetering in een breed scala van technische eigenschappen zou kunnen worden gemaakt. Bekend als klei-polymeer nanocomposieten, deze materialen hebben een zeer lage dichtheid, maar zijn ook taai en sterk - ideale eigenschappen voor de bouw van voertuigen.

Sindsdien wordt er uitgebreid onderzoek gedaan naar deze materialen, en hoewel er enig succes is geweest bij het vinden van bruikbare nieuwe composieten, het is moeilijk gebleken. Dezelfde onderzoekers die de eerste ontdekking deden toen ze voor Toyota werkten, schreven onlangs over de relatieve schaarste van dergelijke ontdekkingen sinds hun doorbraak bijna dertig jaar geleden, onder verwijzing naar de moeizame vallen en opstaan ​​aard van de vereiste verkennende experimenten, maar ook een fundamenteel gebrek aan begrip van hoe en waarom materialen zoals klei-polymeer nanocomposieten zulke afwijkende eigenschappen bezitten.

Professor Peter Coveney van University College London, in samenwerking met zijn collega's dr. James Suter en dr. Derek Groen, heeft gewerkt aan manieren om verschillende representaties van materie met elkaar te verbinden, die volgens hem de eerste stap is om het proces van het ontdekken van nieuwe en bruikbare materialen te versnellen. "Stel je voor, bijvoorbeeld, een materiaal dat is gebroken. Op moleculair niveau, dit wordt weergegeven als het verbreken van chemische bindingen door elektronen die tussen atomen bewegen, terwijl de manifestatie op grotere schaal het breken van een onderdeel van dat materiaal zou zijn. Dit zijn zeer verschillende representaties van dezelfde gebeurtenis, maar beide zijn even correct. Het is relatief eenvoudig om deze gebeurtenis afzonderlijk op verschillende schalen te simuleren. Wat niet zo eenvoudig is, is om de twee met elkaar te verbinden - om de macroschaaleigenschappen van een materiaal te extrapoleren uit zijn chemische samenstelling."

Het creëren van een beschrijving van een materiaal dat op alle schalen werkt zonder ad-hocparameters op hogere niveaus te hoeven injecteren, is een cruciale stap in de richting van de ontdekking van silico-materialen. Om "multiscale modellering" uit te voeren, zoals het bekend is, de parameters op het laagste niveau moeten uiterst nauwkeurig zijn, en de krachtigste computers zijn nodig om de simulaties uit te voeren. Maar de beloningen voor het slagen in deze taak zijn groot; als men de bruikbare fysische eigenschappen van een materiaal kan voorspellen uit zijn moleculaire structuur, dan kunnen kostbare en tijdrovende trial-and-error-experimenten worden geëlimineerd uit het ontdekkingsproces.

In februari 2015 het tijdschrift Advanced Materials publiceerde een paper van Suter, Groen en Coveney die de eigenschappen van een aantal kleipolymeer nanocomposieten bespreken. Echter, het zijn niet de specifieke materialen die het papier zo interessant maken, maar eerder de baanbrekende methoden achter het onderzoek. In de krant, ze beschrijven een methode die kan worden gebruikt om de eigenschappen van kleipolymeer-nanocomposieten te berekenen met behulp van multischaalmodellering. De enige input die nodig is voor dit "virtuele laboratorium" is de chemische samenstelling, moleculaire structuur, en verwerkingsvoorwaarden, en in ruil daarvoor biedt het informatie die grotendeels nooit eerder is getoond in enige vorm van modellering, laat staan ​​in een experiment.

"Door alle schalen met elkaar te verbinden tot een multischaalmodel, we konden laten zien hoe polymeren in de kleilagen komen - hoe het gebeurt en hoe lang het duurt, " zegt Coveney. "Klei bestaat van nature als gestapelde vellen die tactoïden worden genoemd. Als je een polymeer toevoegt, het zal deze natuurlijke configuratie doorbreken - inkapselen, exfoliëren of intercaleren van de stapels. Onze simulatie toonde aan dat het composiet zich vervolgens in een bepaalde richting schikt, zodat de materiaaleigenschappen er heel anders uit gaan zien dan je zou verwachten op basis van een lineaire combinatie van de eigenschappen van klei en het polymeer."

Het artikel werd door Advanced Materials zo belangrijk gevonden dat het tijdschrift met grote impact voor het eerst in zijn hele geschiedenis een uitgebreide functie publiceerde, zodat de methoden achter het werk volledig konden worden uitgelegd. "Het vermogen om de eigenschappen van een materiaal op deze manier te modelleren en te simuleren, heeft de deur geopend voor het maken van voorspellingen die veel wetenschappelijke ontdekkingsprocessen enorm zouden kunnen versnellen, niet alleen op het gebied van klei-polymeer nanocomposieten, ", legt Coveney uit.

grafeen, bijvoorbeeld, is een materiaal dat al lang wordt aangeprezen als een modern wondermateriaal dat uiteindelijk een revolutie teweeg zal brengen in tal van onderzoeksgebieden. Echter, het leveren van de praktische toepassingen van grafeen is moeilijk gebleken, niet in de laatste plaats vanwege de uitdagingen om het in voldoende grote hoeveelheden te produceren. Multischaalmodellering zou kunnen worden gebruikt om de industriële productie van grafeen te modelleren door 2D-vellen grafeen uit grafiet te exfoliëren - een proces dat redelijk lijkt op de exfoliatie van klei-tactoïden bij de productie van klei-polymeer nanocomposieten.

Coveney en zijn onderzoekers hebben uitgebreid gebruik gemaakt van Tier-0 PRACE-supercomputers, inclusief 40,5 miljoen core-uren op JUGENE BlueGene/P bij FZJ. "Het uitvoeren van simulaties op meerdere schalen valt onder het domein van wat we "heroïsche computertaken" noemen, hij zegt. "Persoonlijk geloof ik dat de toekomst van materiaalwetenschap ligt in het verkrijgen van een goed begrip van composieten, en dit is sterk afhankelijk van de high-fidelity aard van onze modellen en simulaties. Tier-0-supercomputers zoals die van PRACE zijn absoluut essentieel voor het uitvoeren van deze simulaties in haalbare tijdsperioden, en dus steunt het succes van ons werk en elk toekomstig werk dat onze methoden gebruikt op de toegang die onderzoekers hebben tot deze waardevolle bronnen."

Op korte termijn, the team's methods have the potential to speed scientific discovery and understanding. In the long run, materials science will be changed for the better, by eliminating a lot of the trial and error that currently besets the development of useful materials.