Cuando los primeros humanos descubrieron cómo aprovechar el fuego, pudieron hacer retroceder la oscuridad nocturna que los envolvía. Con la invención y la adopción generalizada de la electricidad, se hizo más fácil separar el calor de la luz, trabajar durante la noche e iluminar los vagones del tren y las carreteras. En los últimos años, las viejas formas de generación de luz eléctrica, como las bombillas halógenas, han dado paso a alternativas más eficientes energéticamente, abaratando aún más los costos para iluminar nuestros hogares, lugares de trabajo y vidas en general.

Desafortunadamente, sin embargo, la generación de luz blanca mediante tecnologías más nuevas, como los diodos emisores de luz (LED), no es sencilla y, a menudo, depende de una categoría de materiales llamados "metales de tierras raras", que son cada vez más escasos. Esto ha llevado recientemente a los científicos a buscar formas de producir luz blanca de manera más sostenible. Investigadores de la Universidad de Giessen, la Universidad de Marburg y el Instituto de Tecnología de Karlsruhe han descubierto recientemente una nueva clase de material llamado "vidrio de racimo" que muestra un gran potencial para reemplazar los LED en muchas aplicaciones.

"Estamos presenciando el nacimiento de la tecnología de generación de luz blanca que puede reemplazar las fuentes de luz actuales. Cumple con todos los requisitos que pide nuestra sociedad:disponibilidad de recursos, sostenibilidad, biocompatibilidad", dijo la profesora Dra. Simone Sanna, profesora de la Universidad de Giessen. e investigador computacional líder en el proyecto.

"Mis colegas de ciencias experimentales, que observaron esta inesperada generación de luz blanca, pidieron apoyo teórico. El vidrio de racimo tiene una respuesta óptica increíble, pero no entendemos por qué. Los métodos computacionales pueden ayudar a comprender esos mecanismos. Esta es exactamente la reto que los teóricos quieren afrontar."

Sanna y sus colaboradores recurrieron al poder de la computación de alto rendimiento (HPC), utilizando la supercomputadora Hawk en el Centro de Computación de Alto Rendimiento de Stuttgart (HLRS) para comprender mejor el vidrio de racimo y cómo podría servir como una fuente de luz de próxima generación. . Publicaron sus hallazgos en Advanced Materials .

Vista clara de la formación de cristales en racimo

Si no es un científico de materiales o un químico, la palabra vidrio podría significar el material claro y sólido en sus ventanas o en su mesa. El vidrio es en realidad una clase de materiales que se consideran "sólidos amorfos"; es decir, carecen de una red cristalina ordenada, a menudo debido a un rápido proceso de enfriamiento. A nivel atómico, sus partículas constituyentes se encuentran en un estado suspendido y desordenado. A diferencia de los materiales de cristal, donde las partículas son ordenadas y simétricas a lo largo de una larga distancia molecular, el desorden de las gafas a nivel molecular las hace excelentes para doblar, fragmentar o reflejar la luz.

Experimentalistas de la Universidad de Marburg sintetizaron recientemente un tipo particular de vidrio llamado "vidrio de racimo". A diferencia de un vidrio tradicional que casi se comporta como un líquido congelado en su lugar, el vidrio en racimo, como su nombre lo indica, es una colección de racimos separados de moléculas que se comportan como un polvo a temperatura ambiente. Generan una luz blanca clara y brillante al ser irradiados por radiación infrarroja. Si bien los polvos no se pueden usar fácilmente para fabricar componentes electrónicos pequeños y sensibles, los investigadores encontraron una manera de volver a moldearlos en forma de vidrio:"Cuando derretimos el polvo, obtenemos un material que tiene todas las características de un vidrio y puede ser poner en cualquier forma necesaria para una aplicación específica", dijo Sanna.

Si bien los experimentadores pudieron sintetizar el material y observar sus propiedades luminosas, el grupo recurrió a Sanna y HPC para comprender mejor cómo se comporta el vidrio en racimo de la forma en que lo hace. Sanna señaló que la generación de luz blanca no es una propiedad de una sola molécula en un sistema, sino el comportamiento colectivo de un grupo de moléculas. Trazar las interacciones de estas moléculas entre sí y con su entorno en una simulación significa que los investigadores deben capturar los comportamientos a gran escala de la generación de luz y también observar cómo las interacciones atómicas a pequeña escala influyen en el sistema. Cualquiera de estos factores sería computacionalmente desafiante. Sin embargo, modelar estos procesos a múltiples escalas solo es posible utilizando los principales recursos de HPC como Hawk.

La colaboración entre experimentadores y teóricos se ha vuelto cada vez más importante en la ciencia de los materiales, ya que sintetizar muchas iteraciones de un material similar puede ser lento y costoso. La informática de alto rendimiento, indicó Sanna, hace que sea mucho más rápido identificar y probar materiales con propiedades ópticas novedosas. "La relación entre la teoría y el experimento es un ciclo continuo. Podemos predecir las propiedades ópticas de un material que fue sintetizado por nuestros colegas químicos y usar estos cálculos para verificar y comprender mejor las propiedades del material", dijo Sanna. "También podemos diseñar nuevos materiales en una computadora, brindando información que los químicos pueden usar para concentrarse en sintetizar compuestos que tienen la mayor probabilidad de ser útiles. De esta manera, nuestros modelos inspiran la síntesis de nuevos compuestos con propiedades ópticas personalizadas".

En el caso del vidrio en racimo, este enfoque dio como resultado un experimento que se verificó mediante simulación, y el modelado ayudó a mostrar a los investigadores el vínculo entre las propiedades ópticas observadas y la estructura molecular de su material de vidrio en racimo y ahora puede avanzar como candidato. para reemplazar las fuentes de luz que dependen en gran medida de los metales de tierras raras.

HPC agiliza los plazos de I+D

HPC juega un papel importante en ayudar a los investigadores a acelerar la línea de tiempo entre un nuevo descubrimiento y un nuevo producto o tecnología. Sanna explicó que HPC redujo drásticamente el tiempo necesario para obtener una mejor comprensión del vidrio en racimo. “Pasamos mucho tiempo haciendo simulación, pero es mucho menos que caracterizar estos materiales en la realidad”, dijo. "Los grupos que modelamos tienen un núcleo en forma de diamante con 4 ligandos (cadenas moleculares) adheridos. Esos ligandos pueden estar hechos de cualquier cantidad de cosas, por lo que hacer esto en un experimento lleva mucho tiempo".

Sanna señaló que el equipo todavía está limitado por el tiempo que pueden realizar ejecuciones individuales para sus simulaciones. Muchos proyectos de investigación sobre supercomputadoras pueden dividir un sistema complejo en muchas partes pequeñas y ejecutar cálculos para cada parte en paralelo. El equipo de Sanna debe prestar especial atención a las interacciones de partículas a larga distancia en grandes sistemas, por lo que están limitados por cuánto pueden dividir su simulación entre nodos de computadora. Indicó que tener acceso regular a tiempos de ejecución más largos (más de un día seguido en una supercomputadora) permitiría que el equipo trabajara más rápido.

En los estudios en curso sobre el vidrio en racimo, el equipo de Sanna espera comprender a fondo el origen de sus propiedades de generación de luz. Esto podría ayudar a identificar nuevos materiales adicionales y determinar la mejor manera de aplicar el vidrio en racimo en la generación de luz.

Sanna explicó que los recursos de HPC en HLRS eran esenciales para la investigación científica básica de su equipo, que espera que conduzca a nuevos productos que puedan beneficiar a la sociedad. "El principal logro computacional en este artículo de revista solo fue posible a través de nuestro acceso a la máquina en Stuttgart", dijo. + Explora más

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