Materiaalwetenschappers bestuderen en begrijpen de fysica van interagerende atomen in vaste stoffen om manieren te vinden om materialen te verbeteren die we in elk aspect van het dagelijks leven gebruiken. De grens van dit onderzoek ligt niet in vallen en opstaan, Hoewel; om vandaag de dag materialen beter te begrijpen en te verbeteren, onderzoekers moeten materiaaleigenschappen op atomaire schaal en onder extreme omstandigheden kunnen bestuderen. Als resultaat, onderzoekers zijn steeds meer gaan vertrouwen op simulaties om experimenten aan te vullen of te informeren over de eigenschappen en het gedrag van materialen.

Een team van onderzoekers onder leiding van Dr. Arkady Krasheninnikov, natuurkundige aan het Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf, werkt samen met experimentatoren om fundamentele vragen over materiaaleigenschappen te beantwoorden, en het team rapporteerde onlangs een doorbraak:de experimentatoren waren in staat om in realtime het gedrag van lithiumatomen te observeren wanneer ze tussen twee grafeenplaten werden geplaatst. Een grafeenplaat is een 2D-materiaal, omdat het maar één atoom dik is, die het mogelijk maakte om lithiumatoombeweging te observeren in transmissie-elektronenmicroscopie (TEM) -experimenten.

Met toegang tot supercomputingbronnen in het Gauss Center of Supercomputing (GCS), Het team van Krasheninnikov gebruikte de Hazel Hen-supercomputer van het High-Performance Computing Center Stuttgart (HLRS) om te simuleren, bevestigen en uitbreiden van de experimentele bevindingen van het team. Het gezamenlijke werk is onlangs gepubliceerd in Natuur .

"Tweedimensionale materialen vertonen nuttige en opwindende eigenschappen, en kan voor veel toepassingen worden gebruikt, niet alleen als ondersteuning in TEM, " zegt Krasheninnikov. "In wezen, 2D-materialen lopen voorop in het materiaalonderzoek. Er zijn waarschijnlijk ongeveer een paar duizend van deze materialen, en ongeveer 50 zijn daadwerkelijk gemaakt."

Onder de microscoop

Om 2D-materialen experimenteel beter te begrijpen, onderzoekers gebruiken TEM routinematig. De methode stelt hen in staat om kleine, dunne stukjes materiaal en er een hoogenergetische elektronenstraal overheen laten lopen, uiteindelijk het creëren van een vergroot beeld van het materiaal dat onderzoekers kunnen bestuderen, net zoals een filmprojector beelden van een spoel neemt en deze op een groter scherm projecteert. Met deze kijk op een materiaal, experimentatoren kunnen de posities en rangschikkingen van atomen beter in kaart brengen en schatten.

De hoogenergetische straal kan meer doen dan alleen onderzoekers helpen bij het observeren van materialen, het is echter ook een hulpmiddel om de elektronische eigenschappen van 2D-materialen te bestuderen. Bovendien, onderzoekers kunnen de hoogenergetische elektronen van TEM gebruiken om individuele atomen met hoge precisie uit een materiaal te verwijderen om te zien hoe het gedrag van het materiaal verandert op basis van de structurele verandering.

Onlangs, experimentatoren van het Max Planck Instituut voor Solid State Research, Stuttgart en de Universiteit van Ulm wilden beter begrijpen hoe lithiumdeeltjes interageren tussen twee atoomdunne grafeenplaten. Beter begrip van lithiumintercalatie, of het plaatsen van lithium tussen lagen van een ander materiaal (in dit geval grafeen), helpt onderzoekers betere batterijtechnologieën te ontwikkelen. Experimentalisten verkregen gegevens van TEM en vroegen Krasheninnikov en zijn medewerkers om het experiment te rationaliseren met behulp van simulatie.

Met simulaties kunnen onderzoekers de atomaire structuur van een materiaal vanuit verschillende hoeken bekijken, en ze kunnen ook de trial-and-error-aanpak voor het ontwerpen van nieuwe materialen versnellen, puur door experimenten. "Simulaties kunnen niet het volledige werk doen, maar ze kunnen het aantal mogelijke varianten echt beperken, en de richting aangeven welke kant je op moet, " zegt Krasheninnikov. "Simulaties besparen geld voor mensen die werkzaam zijn in fundamenteel onderzoek en de industrie, en als een resultaat, computermodellering wordt steeds populairder."

In dit geval, Krasheninnikov en zijn medewerkers ontdekten dat de atomaire coördinaten van de experimentatoren, of de posities van deeltjes in het materiaal, zou niet stabiel zijn, wat betekent dat het materiaal de wetten van de kwantummechanica zou tarten. Met behulp van simulatiegegevens, Krasheninnikov en zijn medewerkers suggereerden een andere atoomstructuur, en toen het team zijn experiment opnieuw uitvoerde, het vond een perfecte match met de simulatie.

"Soms heb je niet echt een hoge theorie nodig om de atomaire structuur te begrijpen op basis van experimentele resultaten, maar soms is het echt onmogelijk om de structuur te begrijpen zonder nauwkeurige computationele benaderingen die hand in hand gaan met het experiment, ' zegt Krasjeninnikov.

Voor de eerste keer, de experimentatoren keken in realtime hoe lithiumatomen zich gedragen wanneer ze tussen twee grafeenplaten worden geplaatst, en met behulp van simulaties, inzicht gekregen in hoe de atomen waren gerangschikt. Eerder werd aangenomen dat in een dergelijke opstelling, het lithium zou worden gestructureerd als een enkele atoomlaag, maar de simulatie toonde aan dat lithium twee- of drielagen kan vormen, tenminste in dubbellaags grafeen, toonaangevende onderzoekers op zoek naar nieuwe manieren om de batterij-efficiëntie te verbeteren.

Het team voerde effectief eerste-principesimulaties uit van 1, 000-atoomsystemen over tijdsperioden om materiaalinteracties op korte termijn (nanoseconde tijdschaal) waar te nemen. Grotere kernaantallen op supercomputers van de volgende generatie zullen onderzoekers in staat stellen meer atomen in hun simulaties op te nemen, wat betekent dat ze meer realistische en zinvolle plakjes van een materiaal in kwestie kunnen modelleren.

De grotere uitdaging, volgens Krasjeninnikov, heeft betrekking op hoe lang onderzoekers materiële interacties kunnen simuleren. Om fenomenen te bestuderen die zich over langere tijd voordoen, zoals hoe spanning een scheur in metaal kan vormen en verspreiden, bijvoorbeeld, onderzoekers moeten minuten of zelfs uren kunnen simuleren om te zien hoe het materiaal verandert. Dat gezegd hebbende, onderzoekers moeten ook extreem kleine tijdstappen nemen in hun simulaties om de ultrasnelle atomaire interacties nauwkeurig te modelleren. Door simpelweg meer computerkernen te gebruiken, kunnen onderzoekers sneller berekeningen maken voor grotere systemen, maar kan niet elke tijdstap sneller laten verlopen als een bepaalde parallellisatiedrempel wordt bereikt.

Om deze blokkade te doorbreken, moeten onderzoekers algoritmen herwerken om elke tijdstap over een groot aantal kernen efficiënter te berekenen. Krasheninnikov gaf ook aan dat het ontwerpen van codes op basis van kwantumcomputing simulaties mogelijk zou kunnen maken die in staat zijn om materiële fenomenen gedurende langere tijdsperioden te observeren - quantumcomputers kunnen perfect zijn voor het simuleren van kwantumverschijnselen. Welke richting onderzoekers ook uitgaan, Krasheninnikov merkte op dat toegang tot supercomputerbronnen via GCS en PRACE hem en zijn team in staat stelt om continue vooruitgang te boeken. "Ons team kan geen goed onderzoek doen zonder goede computerbronnen, " hij zei.