Los científicos de Argonne utilizaron Mira para identificar y mejorar un nuevo mecanismo para eliminar la fricción, que alimentó el desarrollo de un material híbrido que exhibió superlubricidad en la macroescala por primera vez. Los investigadores de Argonne Leadership Computing Facility (ALCF) ayudaron a habilitar las innovadoras simulaciones al superar un cuello de botella de rendimiento que duplicó la velocidad del código del equipo.

Mientras revisa los resultados de la simulación de un nuevo material lubricante prometedor, El investigador de Argonne, Sanket Deshmukh, se topó con un fenómeno que nunca antes se había observado.

"Recuerdo que Sanket me llamó y me dijo 'tienes que venir aquí y ver esto. Quiero mostrarte algo realmente genial, '", dijo Subramanian Sankaranarayanan, Nanocientífico computacional de Argonne, quien dirigió el trabajo de simulación en Argonne Leadership Computing Facility (ALCF), una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE.

Quedaron asombrados por lo que revelaron las simulaciones por computadora. Cuando los materiales lubricantes, el grafeno y el carbono similar al diamante (DLC), se deslizan entre sí, el grafeno comenzó a enrollarse para formar "rollos" cilíndricos huecos que ayudaron a eliminar prácticamente la fricción. Estos llamados nanocrolls representaron un mecanismo completamente nuevo para la superlubricidad, un estado en el que la fricción desaparece esencialmente.

"Los nanocrolls combaten la fricción de la misma manera que lo hacen los rodamientos de bolas al crear una separación entre las superficies, "dijo Deshmukh, quien terminó su nombramiento postdoctoral en Argonne en enero.

La superlubricidad es una propiedad muy deseable. Teniendo en cuenta que casi un tercio de cada tanque de combustible se gasta superando la fricción en los automóviles, un material que pueda alcanzar la superlubricidad beneficiaría enormemente tanto a la industria como a los consumidores. Dichos materiales también podrían ayudar a aumentar la vida útil de innumerables componentes mecánicos que se desgastan debido a la fricción incesante.

Orígenes experimentales

Antes del trabajo computacional, Los científicos de Argonne Ali Erdemir, Anirudha Sumant, y Diana Berman estaban estudiando el material híbrido en experimentos de laboratorio en el Laboratorio de Tribología de Argonne y el Centro de Materiales a Nanoescala, una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE. La configuración experimental consistió en pequeños parches de grafeno (una forma bidimensional de una sola hoja de carbono puro) que se deslizaban contra una bola de acero recubierta de DLC.

La combinación grafeno-DLC registraba un coeficiente de fricción muy bajo (una relación que mide la fuerza de fricción entre dos superficies), pero los niveles de fricción fluctuaban hacia arriba y hacia abajo sin razón aparente. Los experimentadores también estaban desconcertados al descubrir que los ambientes húmedos estaban causando que el coeficiente de fricción se disparara a niveles que eran casi 100 veces mayores que los medidos en ambientes secos.

Para arrojar luz sobre estos misteriosos comportamientos, se dirigieron a Sankaranarayanan y Deshmukh en busca de ayuda computacional. Usando Mira, la supercomputadora IBM Blue Gene / Q de 10 petaflops de la ALCF, los investigadores replicaron las condiciones experimentales con simulaciones de dinámica molecular a gran escala destinadas a comprender los mecanismos subyacentes de la superlubricidad a nivel atomístico.

Esto los llevó al descubrimiento de los nanoscrolls de grafeno, que ayudó a llenar los espacios en blanco. Los niveles de fricción fluctuantes del material se explicaron por el hecho de que los nanoscrolls en sí no eran estables. Los investigadores observaron un patrón repetitivo en el que se formarían los nanopergaminos huecos, y luego derrumbarse y colapsar bajo la presión de la carga.

"La fricción estaba descendiendo a valores muy bajos en el momento en que se produjo la formación de volutas y luego volvería a subir a valores más altos cuando los parches de grafeno se encontraran en un estado sin enrollar". "Dijo Deshmukh.

Los científicos computacionales tuvieron una idea para superar este problema. Intentaron incorporar partículas de nanodiamantes en sus simulaciones para ver si el material duro podría ayudar a estabilizar los nanopergaminos y hacerlos más permanentes.

Bastante seguro, las simulaciones resultaron exitosas. Los parches de grafeno rodaron espontáneamente alrededor de los nanodiamantes, que mantuvo los rollos en su lugar y resultó en una superlubricidad sostenida. Los resultados de la simulación alimentaron un nuevo conjunto de experimentos con nanodiamantes que confirmaron lo mismo.

"La belleza de este descubrimiento en particular es que pudimos ver superlubricidad sostenida en la macroescala por primera vez, demostrando que este mecanismo se puede utilizar a escalas de ingeniería para aplicaciones del mundo real, ", Dijo Sankaranarayanan." Este esfuerzo de colaboración es un ejemplo perfecto de cómo la computación puede ayudar en el diseño y descubrimiento de nuevos materiales ".

No resbaladizo cuando está mojado

Desafortunadamente, la adición de nanodiamantes no abordó la aversión del material al agua. Las simulaciones mostraron que el agua suprime la formación de volutas al aumentar la adhesión del grafeno a la superficie.

Si bien esto limita en gran medida las aplicaciones potenciales del material híbrido, su capacidad para mantener la superlubricidad en ambientes secos es un avance significativo en sí mismo.

El equipo de investigación está buscando una patente para el material híbrido, que potencialmente podría usarse para aplicaciones en ambientes secos, como discos duros de computadora, engranajes de turbina eólica, y sellos mecánicos rotativos para sistemas microelectromecánicos y nanoelectromecánicos.

Para aumentar el atractivo del material, se encuentra un método de deposición relativamente simple y rentable llamado fundición por caída. Esta técnica consiste en rociar soluciones de los materiales sobre piezas mecánicas móviles. Cuando las soluciones se evaporan, dejaría el grafeno y los nanodiamantes en un lado de una parte móvil, y carbono similar al diamante en el otro lado.

Sin embargo, el conocimiento obtenido de su estudio es quizás incluso más valioso, dijo Deshmukh. Él espera que el mecanismo de nanodesplazamiento estimule los esfuerzos futuros para desarrollar materiales capaces de superlubricidad para una amplia gama de aplicaciones mecánicas.

Por su parte, El equipo de Argonne continuará sus estudios computacionales para buscar formas de superar la barrera que presenta el agua.

"Estamos explorando diferentes funcionalizaciones de la superficie para ver si podemos incorporar algo hidrofóbico que mantenga el agua fuera". "Dijo Sankaranarayanan." Siempre que puedas repeler el agua, los nanoscrolls de grafeno también podrían funcionar en entornos húmedos ".

Simulando millones de átomos

El innovador descubrimiento del nanocroll del equipo no habría sido posible sin una supercomputadora como Mira. Replicar la configuración experimental requirió simular hasta 1.2 millones de átomos para ambientes secos y hasta 10 millones de átomos para ambientes húmedos.

Los investigadores utilizaron el código LAMMPS (Large-scale Atomic / Molecular Massively Parallel Simulator) para llevar a cabo las simulaciones de dinámica molecular reactiva computacionalmente exigentes.

Con la ayuda de catalizadores ALCF, un equipo de científicos computacionales que trabajan directamente con los usuarios de ALCF, pudieron superar un cuello de botella de rendimiento con el módulo ReaxFF del código, un paquete adicional que se necesitaba para modelar las reacciones químicas que ocurren en el sistema.

Los catalizadores ALCF, en colaboración con investigadores de IBM, Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley, y Sandia National Laboratories, LAMMPS optimizado y su implementación de ReaxFF al agregar subprocesos OpenMP, reemplazar la comunicación punto a punto MPI con colectivos MPI en algoritmos clave, y aprovechando MPI I / O. En total, estas mejoras permitieron que el código funcionara dos veces más rápido que antes.

"Con las optimizaciones de código implementadas, pudimos modelar los fenómenos en sistemas experimentales reales con mayor precisión, "Dijo Deshmukh." Las simulaciones en Mira nos mostraron algunas cosas asombrosas que no se podían ver en las pruebas de laboratorio ".

Y con el reciente anuncio de Aurora, la supercomputadora de próxima generación de la ALCF, Sankaranarayanan está entusiasmado con el rumbo que tomaría esta línea de investigación en el futuro.

"Dado el advenimiento de recursos informáticos como Aurora y la amplia gama de materiales bidimensionales disponibles y tipos de nanopartículas, imaginamos la creación de un genoma lubricante en algún momento en el futuro, "Tener una base de datos de materiales como esta nos permitiría seleccionar y elegir materiales lubricantes para condiciones operativas específicas".

Los investigadores publicaron recientemente sus hallazgos de este proyecto en un Science Express .