Wetenschappers van Argonne gebruikten Mira om een ​​nieuw mechanisme voor het elimineren van wrijving te identificeren en te verbeteren. die hebben bijgedragen aan de ontwikkeling van een hybride materiaal dat voor het eerst superlubriciteit vertoonde op macroschaal. Onderzoekers van Argonne Leadership Computing Facility (ALCF) hielpen de baanbrekende simulaties mogelijk te maken door een prestatieknelpunt te overwinnen dat de snelheid van de code van het team verdubbelde.

Terwijl we de simulatieresultaten van een veelbelovend nieuw smeermiddelmateriaal bekijken, Argonne-onderzoeker Sanket Deshmukh stuitte op een fenomeen dat nog nooit eerder was waargenomen.

"Ik herinner me dat Sanket me belde en zei:'Je moet hierheen komen om dit te zien. Ik wil je iets heel cools laten zien, '" zei Subramanian Sankaranarayanan, Argonne computationeel nanowetenschapper, die het simulatiewerk leidde bij de Argonne Leadership Computing Facility (ALCF), een DOE Office of Science gebruikersfaciliteit.

Ze waren verbaasd over wat de computersimulaties aan het licht brachten. Toen de smeermiddelen - grafeen en diamantachtige koolstof (DLC) - tegen elkaar gleed, het grafeen begon op te rollen om holle cilindrische "rollen" te vormen die hielpen om wrijving praktisch te elimineren. Deze zogenaamde nanoscrolls vertegenwoordigden een volledig nieuw mechanisme voor supersmering, een toestand waarin wrijving in wezen verdwijnt.

"De nanoscrolls bestrijden wrijving op vrijwel dezelfde manier als kogellagers door scheiding tussen oppervlakken te creëren, " zei Deshmukh, die in januari zijn postdoctorale aanstelling in Argonne beëindigde.

Supersmering is een zeer wenselijke eigenschap. Aangezien bijna een derde van elke brandstoftank wordt besteed aan het overwinnen van wrijving in auto's, een materiaal dat supersmering kan bereiken, zou zowel de industrie als de consumenten ten goede komen. Dergelijke materialen kunnen ook helpen de levensduur te verlengen van talloze mechanische componenten die slijten door onophoudelijke wrijving.

experimentele oorsprong

Voorafgaand aan het rekenwerk, Argonne-wetenschappers Ali Erdemir, Anirudha Sumant, en Diana Berman bestudeerden het hybride materiaal in laboratoriumexperimenten bij Argonne's Tribology Laboratory en het Center for Nanoscale Materials, een DOE Office of Science gebruikersfaciliteit. De experimentele opstelling bestond uit kleine stukjes grafeen (een tweedimensionale single-sheet vorm van pure koolstof) die tegen een met DLC gecoate stalen bal glijden.

De grafeen-DLC-combinatie registreerde een zeer lage wrijvingscoëfficiënt (een verhouding die de wrijvingskracht tussen twee oppervlakken meet), maar de wrijvingsniveaus schommelden op en neer zonder duidelijke reden. De experimentatoren waren ook verbaasd toen ze ontdekten dat vochtige omgevingen ervoor zorgden dat de wrijvingscoëfficiënt steeg tot niveaus die bijna 100 keer groter waren dan gemeten in droge omgevingen.

Om licht te werpen op dit mysterieuze gedrag, ze wendden zich tot Sankaranarayanan en Deshmukh voor computationele hulp. Met behulp van Mira, de 10 petaflops IBM Blue Gene/Q supercomputer van de ALCF, de onderzoekers repliceerden de experimentele omstandigheden met grootschalige moleculaire dynamica-simulaties gericht op het begrijpen van de onderliggende mechanismen van superlubricity op atomistisch niveau.

Dit leidde tot hun ontdekking van de grafeen-nanorollen, die hielpen om de lege plekken in te vullen. De fluctuerende wrijvingsniveaus van het materiaal werden verklaard door het feit dat de nanoscrolls zelf niet stabiel waren. De onderzoekers observeerden een zich herhalend patroon waarin de holle nanorollen zich zouden vormen, en dan instorten en bezwijken onder de druk van de last.

"De wrijving zakte naar zeer lage waarden op het moment dat de scroll-formatie plaatsvond en dan zou het terugspringen naar hogere waarden wanneer de grafeenpatches zich in een niet-gescrollde staat bevonden, ' zei Deshmukh.

De computationele wetenschappers hadden een idee om dit probleem op te lossen. Ze probeerden nanodiamantdeeltjes in hun simulaties op te nemen om te zien of het harde materiaal kon helpen de nanorollen te stabiliseren en ze duurzamer te maken.

Zowaar, de simulaties bleken succesvol. De grafeenpatches rolden spontaan rond de nanodiamanten, die de rollen op hun plaats hield en resulteerde in aanhoudende supersmering. De simulatieresultaten werden ingevoerd in een nieuwe reeks experimenten met nanodiamanten die hetzelfde bevestigden.

"Het mooie van deze specifieke ontdekking is dat we voor het eerst aanhoudende supersmering op macroschaal konden zien, bewijzen dat dit mechanisme op technische schaal kan worden gebruikt voor toepassingen in de echte wereld, " zei Sankaranarayanan. "Deze gezamenlijke inspanning is een perfect voorbeeld van hoe berekeningen kunnen helpen bij het ontwerpen en ontdekken van nieuwe materialen."

Niet glad als het nat is

Helaas, de toevoeging van nanodiamanten ging niet in op de aversie van het materiaal tegen water. De simulaties toonden aan dat water de vorming van scrolls onderdrukt door de hechting van grafeen aan het oppervlak te vergroten.

Hoewel dit de potentiële toepassingen van het hybride materiaal aanzienlijk beperkt, het vermogen om supersmering te behouden in droge omgevingen is op zich al een belangrijke doorbraak.

Het onderzoeksteam is bezig met het zoeken naar een patent voor het hybride materiaal, die mogelijk kunnen worden gebruikt voor toepassingen in droge omgevingen, zoals harde schijven van computers, windturbinetoestellen, en mechanische roterende afdichtingen voor micro-elektromechanische en nano-elektromechanische systemen.

De aantrekkingskracht van het materiaal wordt vergroot door een relatief eenvoudige en kosteneffectieve depositiemethode die drop-casting wordt genoemd. Bij deze techniek worden oplossingen van de materialen op bewegende mechanische onderdelen gespoten. Als de oplossingen verdampen, het zou het grafeen en de nanodiamanten aan één kant van een bewegend onderdeel achterlaten, en diamantachtige koolstof aan de andere kant.

Echter, de kennis die ze uit hun studie hebben opgedaan, is misschien nog waardevoller, zei Deshmukh. Hij verwacht dat het nanoscroll-mechanisme toekomstige inspanningen zal stimuleren om materialen te ontwikkelen die in staat zijn tot supersmering voor een breed scala aan mechanische toepassingen.

Voor hun deel, het Argonne-team zal zijn computationele studies voortzetten om te zoeken naar manieren om de barrière van water te overwinnen.

"We onderzoeken verschillende oppervlaktefunctionaliseringen om te zien of we iets hydrofoob kunnen opnemen dat water buiten houdt, " zei Sankaranarayanan. "Zolang je water kunt afstoten, de grafeen nanoscrolls zouden mogelijk ook in vochtige omgevingen kunnen werken."

Miljoenen atomen simuleren

De baanbrekende nanoscroll-ontdekking van het team zou niet mogelijk zijn geweest zonder een supercomputer als Mira. Het repliceren van de experimentele opstelling vereiste het simuleren van maximaal 1,2 miljoen atomen voor droge omgevingen en tot 10 miljoen atomen voor vochtige omgevingen.

De onderzoekers gebruikten de LAMMPS-code (Large-scale Atomic/Molecular Massively Parallel Simulator) om de rekenkundig veeleisende simulaties van reactieve moleculaire dynamica uit te voeren.

Met behulp van ALCF-katalysatoren, een team van computationele wetenschappers die rechtstreeks met ALCF-gebruikers werken, ze waren in staat om een ​​prestatieknelpunt te overwinnen met de ReaxFF-module van de code, een add-on pakket dat nodig was om de chemische reacties in het systeem te modelleren.

De ALCF-katalysatoren, in samenwerking met onderzoekers van IBM, Lawrence Berkeley Nationaal Laboratorium, en Sandia Nationale Laboratoria, geoptimaliseerde LAMMPS en de implementatie van ReaxFF door toevoeging van OpenMP-threading, het vervangen van MPI point-to-point communicatie met MPI collectieven in de belangrijkste algoritmen, en gebruik te maken van MPI I/O. Allemaal samen, door deze verbeteringen kon de code twee keer zo snel werken als voorheen.

"Met de code-optimalisaties op zijn plaats, we waren in staat om de verschijnselen in echte experimentele systemen nauwkeuriger te modelleren, "Zei Deshmukh. "De simulaties op Mira hebben ons een aantal verbazingwekkende dingen laten zien die niet in laboratoriumtests konden worden gezien."

En met de recente aankondiging van Aurora, de supercomputer van de ALCF, Sankaranarayanan is enthousiast over waar deze onderzoekslijn in de toekomst naartoe zou kunnen gaan.

"Gezien de komst van computerbronnen zoals Aurora en het brede scala aan beschikbare tweedimensionale materialen en typen nanodeeltjes, we zien de creatie van een smeermiddelgenoom op een bepaald moment in de toekomst, " zei hij. "Met een materiaaldatabase als deze zouden we smeermiddelen kunnen kiezen en kiezen voor specifieke operationele omstandigheden."

De onderzoekers publiceerden onlangs hun bevindingen van dit project in een Wetenschap Express .