Con el advenimiento de la tecnología láser en la década de 1960, Los científicos de materiales obtuvieron una nueva herramienta para estudiar y modificar materiales. Hoy dia, los láseres permiten a los investigadores manipular materiales a niveles atómicos y subatómicos, dando lugar a nuevos materiales y una serie de otras aplicaciones.

Por ejemplo, controlando la longitud de onda del láser, intensidad, y duración del pulso, los investigadores pueden modificar metales para exhibir nuevas propiedades útiles para una amplia gama de aplicaciones. Hasta hace poco los investigadores se basaron en pruebas y errores experimentales para lograr las propiedades deseadas, pero en la era de la supercomputación, los experimentos se pueden realizar en un laboratorio virtual.

El profesor de la Universidad de Virginia, Leonid Zhigilei, dirigió un equipo que hizo un laboratorio virtual mediante el uso de recursos informáticos en Oak Ridge Leadership Computing Facility (OLCF), una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del Departamento de Energía de EE. UU. ubicada en el Laboratorio Nacional de Oak Ridge del DOE. El equipo utilizó la supercomputadora Titan de la OLCF para obtener conocimientos más profundos sobre las interacciones del láser con las superficies metálicas.

"Rápida expansión de las aplicaciones prácticas del procesamiento láser de pulso ultracorto, incluida la ingeniería de nuevos materiales, requiere la comprensión de los mecanismos fundamentales de las transformaciones estructurales y de fase inducidas por láser, ", Dijo Zhigilei." Sondeo experimental de estas transformaciones, que tienen lugar en la escala de tiempo de picosegundos (una billonésima de segundo), es difícil, costoso, ya menudo ni siquiera es factible. La realización de "experimentos virtuales" en una supercomputadora ofrece una alternativa atractiva.

"Es más, Los resultados computacionales pueden orientar la exploración experimental enfocada de los regímenes de irradiación más prometedores o de los fenómenos interesantes predichos en las simulaciones. " él dijo.

Mediante el uso de una combinación de experimentos del mundo real y virtual, el equipo está adquiriendo una comprensión fundamental de los mecanismos de las interacciones materiales inducidas por los láseres.

Pulsos cortos, grandes simulaciones

El término láser es en realidad un acrónimo de amplificación de luz por emisión estimulada de radiación. La luz visible que vemos en nuestra vida diaria es radiación electromagnética (energía) que cae dentro de una longitud de onda que nuestros ojos pueden percibir. Los átomos deben estar excitados para liberar su energía emisora ​​de luz, aunque, y los láseres aprovechan la energía de estos átomos en haces.

Estos haces son una colección de ondas de luz coherentes. La cantidad de energía que transportan, sin embargo, puede variar ampliamente, y tanto los láseres de baja energía como los de alta energía han tenido un gran impacto en la vida moderna. Los láseres de baja energía ayudaron a marcar el comienzo de la era de los CD y DVD, mientras que los láseres de alta energía han simplificado innumerables procedimientos médicos y han permitido una amplia gama de aplicaciones de diseño de materiales. El último de estos requiere precisión y una comprensión detallada de cómo los láseres interactúan con un material en la nanoescala.

Zhigilei señaló que su equipo se ha centrado en comprender las transiciones de fase ultrarrápidas provocadas por la irradiación láser, o los caminos que toma el material para pasar de un estado de la materia a otro, como el hielo que se derrite y se convierte en agua.

Si una fuente de calor golpea un cubo de hielo, por ejemplo, comienza a derretirse en el punto de calentamiento. El calor luego se transfiere a las regiones más frías detrás, derritiendo todo el cubo esencialmente de adelante hacia atrás. La intensa energía de los láseres, aunque, hace posible que ese mismo cubo de hielo se derrita desde el interior o se derrita en varias regiones simultáneamente. En el caso de un cubo de hielo, todo el sólido finalmente se convierte en agua, pero cuando los investigadores intentan catalogar los cambios de la superficie metálica a nanoescala, la imagen se vuelve más compleja. Comprender los detalles de estas transiciones de fase es esencial para predecir las propiedades de los materiales que pueden ser de interés para aplicaciones prácticas.

El equipo de Zhigilei utiliza supercomputadoras para simular estas transformaciones de fase a escalas atómicas. Para crear simulaciones significativas, aunque, el equipo necesita simular millones o, en algunos casos, miles de millones de átomos. Luego pueden observar cómo los átomos se mueven en una secuencia de momentos muy breves en el tiempo llamados pasos de tiempo. Al ejecutar largas simulaciones que constan de millones de pasos de tiempo, los investigadores pueden observar todos los procesos que ocurren durante una interacción láser-metal durante un tiempo total de varios nanosegundos (cada nanosegundo es una mil millonésima de segundo). El equipo ejecutó recientemente una simulación de plata de 2.800 millones de átomos durante 3.2 nanosegundos, permitiéndole comparar por primera vez la morfología de la superficie congelada —su estructura superficial— con los datos experimentales.

Nuevas nanoestructuras a partir de la morfología de los metales

Los láseres pueden imbuir metales con muchas propiedades novedosas. Una forma de hacer esto es utilizar la ablación con láser, o el proceso de eliminar selectivamente pequeñas cantidades de material, cambiando así la morfología y microestructura de la superficie. Aunque a menudo es invisible para el ojo humano, este proceso puede producir cambios importantes en las características de un metal. La ablación con láser irradia la superficie del metal de forma rápida interacción violenta, creando explosiones muy pequeñas de partículas que se eliminan del material. Mientras el metal se enfría, presenta nuevas propiedades, dependiendo del proceso.

Los ingenieros pueden usar láseres para influir en la forma en que una superficie de metal interactúa con el agua, lo que obliga a que el agua se deslice de la superficie en una dirección determinada. por ejemplo. Los investigadores pueden crear superficies negras en metales sin usar pintura u otros materiales sintéticos. Los pulsos de láser cortos también pueden modificar localmente la dureza de los metales; para una mayor flexibilidad, los ingenieros pueden hacer una capa exterior dura de una muestra de metal mientras mantienen el interior más suave.

En muchos casos, el procesamiento de metales ocurre en el vacío, permitiendo así a los ingenieros evitar que los contaminantes entren en el material procesado. Aunque el equipo de Zhigilei se centró principalmente en simular interacciones metal-láser en el vacío, el tiempo de computación otorgado a través del programa Innovative and Novel Computational Impact on Theory and Experiment (INCITE) permitió al equipo simular estos procesos en escenarios más complejos, así como. "Ablación láser en líquidos, en particular, se utiliza activamente para la generación de nanopartículas coloidales limpias [nanopartículas insolubles y uniformemente dispersas en un disolvente] con formas y funcionalidades únicas adecuadas para aplicaciones en diversos campos, incluida la biomedicina, catálisis química, y plasmónicos, ", dijo el miembro del equipo y estudiante de posgrado de la Universidad de Virginia, Cheng-Yu Shih.

"Tiempo, experimentalmente, Se ha demostrado que el entorno líquido afecta fuertemente las distribuciones del tamaño de las nanopartículas y la microestructura de las superficies modificadas con láser. Los mecanismos físicos de la modificación de la superficie con láser y la ablación en líquidos aún no se conocen bien. La interacción de la pluma de ablación [una nube de vapor de metal y pequeñas gotas expulsadas del objetivo irradiado] con el entorno líquido agrega una capa adicional de complejidad a la ablación con láser. Las simulaciones atomísticas ayudan a arrojar luz sobre la inicial, etapa muy crítica de la interacción de la pluma de ablación y el líquido y predecir los mecanismos posteriores de formación de nanopartículas a nivel atómico. Con acceso a los recursos INCITE, es posible abordar el desafiante problema del modelado atomístico de la generación de nanopartículas por ablación con láser en líquidos, "Shih continuó.

La capacidad del equipo para expandir sus simulaciones provino de equipar su código para usar aceleradores como las GPU de Titan. Durante el transcurso de su proyecto INCITE, el equipo trabajó con el enlace de computación científica de OLCF, Mark Berrill, y el personal de soporte al usuario de OLCF para mejorar el rendimiento del código híbrido.

Como resultado, el equipo pudo lograr una aceleración siete veces mayor que los métodos de solo CPU. Estas aceleraciones ayudaron al equipo a correr más simulaciones más complejas y ampliar el estudio a las simulaciones de procesamiento de metales fuera del vacío. Además, El personal de OLCF ayudó al equipo a optimizar el rendimiento de E / S de sus códigos mediante la implementación del middleware Adaptive I / O System (ADIOS) en el código.

El equipo también trabajó con el científico informático de OLCF Benjamin Hernandez para ayudar con la visualización de configuraciones atómicas que constan de miles de millones de átomos.

El equipo atribuye una variedad de recursos computacionales a su éxito. "Con un código informático altamente optimizado que se ejecuta en paralelo en miles de nodos informáticos y utiliza plenamente las capacidades de la tecnología informática moderna, incluyendo interconexiones de baja latencia y alto ancho de banda entre los nodos y aceleradores de GPU de alto rendimiento, ahora es posible abordar los problemas computacionales más ambiciosos e increíblemente desafiantes en nuestro campo, ", dijo el miembro del equipo y estudiante graduado de la Universidad de Virginia, Maxim Shugaev.

Pasando al próximo año de su premio INCITE, el equipo planea centrarse en las interacciones láser-metal en líquidos para obtener una imagen completa de cómo la tensión superficial, temperatura crítica, presión, y los diferentes entornos controlan la morfología y la microestructura de la superficie del metal.