Los científicos de materiales estudian y comprenden la física de los átomos que interactúan en los sólidos para encontrar formas de mejorar los materiales que usamos en todos los aspectos de la vida diaria. La frontera de esta investigación no radica en el ensayo y error, aunque; para comprender mejor y mejorar los materiales en la actualidad, los investigadores deben poder estudiar las propiedades de los materiales a escala atómica y en condiciones extremas. Como resultado, Los investigadores han llegado a depender cada vez más de las simulaciones para complementar o informar experimentos sobre las propiedades y comportamientos de los materiales.

Un equipo de investigadores dirigido por el Dr. Arkady Krasheninnikov, físico del Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf, colabora con los experimentadores para responder preguntas fundamentales sobre las propiedades de los materiales, y el equipo informó recientemente un gran avance:los experimentadores pudieron observar en tiempo real el comportamiento de los átomos de litio cuando se colocan entre dos láminas de grafeno. Una hoja de grafeno es un material bidimensional, ya que solo tiene un átomo de espesor, lo que hizo posible observar el movimiento del átomo de litio en experimentos de microscopía electrónica de transmisión (TEM).

Con acceso a recursos de supercomputación en el Gauss Center of Supercomputing (GCS), El equipo de Krasheninnikov utilizó la supercomputadora Hazel Hen del High-Performance Computing Center Stuttgart (HLRS) para simular, confirmar y ampliar los hallazgos experimentales del equipo. El trabajo colaborativo fue publicado recientemente en Naturaleza .

"Los materiales bidimensionales exhiben propiedades útiles y emocionantes, y se puede utilizar para muchas aplicaciones, no solo como soporte en TEM, ", Dice Krasheninnikov." Básicamente, Los materiales 2-D están a la vanguardia de la investigación de materiales. Es probable que haya unos dos miles de estos materiales, y se han hecho aproximadamente 50 ".

Bajo el microscopio

Para comprender mejor los materiales 2-D de forma experimental, los investigadores utilizan TEM de forma rutinaria. El método les permite suspender pequeños, piezas delgadas de un material y ejecutar un haz de electrones de alta energía sobre él, creando en última instancia una imagen ampliada del material que los investigadores pueden estudiar, Al igual que un proyector de películas, toma imágenes de un carrete y las proyecta en una pantalla más grande. Con esta vista en un material, los experimentadores pueden trazar y estimar mejor las posiciones y arreglos de los átomos.

El rayo de alta energía puede hacer más que solo ayudar a los investigadores a observar materiales, sin embargo, también es una herramienta para estudiar las propiedades electrónicas de los materiales bidimensionales. Es más, Los investigadores pueden usar los electrones de alta energía de TEM para eliminar átomos individuales de un material con alta precisión para ver cómo cambia el comportamiento del material en función del cambio estructural.

Recientemente, experimentales del Instituto Max Planck para la Investigación del Estado Sólido, Stuttgart y la Universidad de Ulm querían comprender mejor cómo interactúan las partículas de litio entre dos láminas de grafeno delgadas como un átomo. Comprender mejor la intercalación de litio, o colocando litio entre capas de otro material (en este caso, grafeno), ayuda a los investigadores a desarrollar mejores tecnologías de baterías. Los experimentales obtuvieron datos de TEM y pidieron a Krasheninnikov y sus colaboradores que racionalizaran el experimento usando simulación.

Las simulaciones permiten a los investigadores ver la estructura atómica de un material desde una variedad de ángulos diferentes, y también pueden acelerar el enfoque de prueba y error para diseñar nuevos materiales puramente a través de experimentos. "Las simulaciones no pueden hacer todo el trabajo, pero realmente pueden limitar el número de variantes posibles, y mostrar la dirección hacia dónde ir, ", Dice Krasheninnikov." Las simulaciones ahorran dinero a las personas que trabajan en la industria y la investigación fundamental, y como un resultado, el modelado por computadora se está volviendo cada vez más popular ".

En este caso, Krasheninnikov y sus colaboradores encontraron que las coordenadas atómicas de los experimentalistas, o las posiciones de las partículas en el material, no sería estable, lo que significa que el material desafiaría las leyes de la mecánica cuántica. Usando datos de simulación, Krasheninnikov y sus colaboradores sugirieron una estructura atómica diferente, y cuando el equipo volvió a ejecutar su experimento, encontró una combinación perfecta con la simulación.

"A veces no se necesita una gran teoría para comprender la estructura atómica basada en resultados experimentales, pero otras veces es realmente imposible comprender la estructura sin enfoques computacionales precisos que vayan de la mano con el experimento, "Dice Krasheninnikov.

Por primera vez, los experimentales observaron en tiempo real cómo se comportan los átomos de litio cuando se colocan entre dos láminas de grafeno, y con la ayuda de simulaciones, adquirió conocimientos sobre cómo se organizaron los átomos. Anteriormente se asumió que en tal arreglo, el litio estaría estructurado como una sola capa atómica, pero la simulación mostró que el litio podría formar bicapas o tricapas, al menos en grafeno bicapa, lo que lleva a los investigadores a buscar nuevas formas de mejorar la eficiencia de la batería.

El equipo ejecutó efectivamente simulaciones de primeros principios de 1, Sistemas de 000 átomos durante períodos de tiempo para observar interacciones de materiales a corto plazo (escala de tiempo de nanosegundos). Los recuentos de núcleos más grandes en supercomputadoras de próxima generación permitirán a los investigadores incluir más átomos en sus simulaciones, lo que significa que pueden modelar porciones más realistas y significativas de un material en cuestión.

El mayor desafío, según Krasheninnikov, se relaciona con cuánto tiempo los investigadores pueden simular interacciones materiales. Para estudiar los fenómenos que ocurren durante períodos de tiempo más largos, como la forma en que la tensión puede formar y propagar una grieta en el metal, por ejemplo, los investigadores deben poder simular minutos o incluso horas para ver cómo cambia el material. Dicho eso Los investigadores también necesitan tomar pasos de tiempo extremadamente pequeños en sus simulaciones para modelar con precisión las interacciones atómicas ultrarrápidas. El simple hecho de usar más núcleos de computadora permite a los investigadores hacer cálculos para sistemas más grandes más rápido, pero no puede hacer que cada paso de tiempo sea más rápido si se alcanza un cierto umbral de paralelización.

Romper este atolladero requerirá que los investigadores modifiquen los algoritmos para calcular de manera más eficiente cada paso de tiempo en una gran cantidad de núcleos. Krasheninnikov también indicó que el diseño de códigos basados ​​en la computación cuántica podría permitir simulaciones capaces de observar fenómenos materiales que ocurren durante períodos de tiempo más largos; las computadoras cuánticas pueden ser perfectas para simular fenómenos cuánticos. Independientemente de la dirección que tomen los investigadores, Krasheninnikov señaló que el acceso a los recursos de supercomputación a través de GCS y PRACE le permite a él y a su equipo lograr un progreso continuo. "Nuestro equipo no puede realizar una buena investigación sin buenos recursos informáticos, " él dijo.