El grafeno puede estar entre los descubrimientos científicos más emocionantes del siglo pasado. Si bien nos resulta sorprendentemente familiar, el grafeno se considera un alótropo del carbono, lo que significa que es esencialmente la misma sustancia que el grafito pero con una estructura atómica diferente; el grafeno también abrió un nuevo mundo de posibilidades para diseñar y construir nuevas tecnologías.

El material es bidimensional, lo que significa que cada "hoja" de grafeno tiene solo 1 átomo de espesor, pero sus enlaces lo hacen tan fuerte como algunas de las aleaciones metálicas más duras del mundo sin dejar de ser liviano y flexible. Este valioso, la combinación única de propiedades ha despertado el interés de científicos de una amplia gama de campos, lo que lleva a la investigación sobre el uso del grafeno para la electrónica de próxima generación, nuevos revestimientos en instrumentos y herramientas industriales, y nuevas tecnologías biomédicas.

Quizás sea el inmenso potencial del grafeno lo que, en consecuencia, ha causado uno de sus mayores desafíos:el grafeno es difícil de producir en grandes volúmenes. y la demanda del material crece continuamente. Investigaciones recientes indican que el uso de un catalizador de cobre líquido puede ser una forma eficiente de producir grafeno, pero los investigadores solo tienen una comprensión limitada de las interacciones moleculares que ocurren durante estos breves, momentos caóticos que conducen a la formación de grafeno, lo que significa que aún no pueden usar el método para producir láminas de grafeno impecables de manera confiable.

Para abordar estos desafíos y ayudar a desarrollar métodos para una producción de grafeno más rápida, un equipo de investigadores de la Universidad Técnica de Munich (TUM) ha estado utilizando los sistemas de computación de alto rendimiento (HPC) JUWELS y SuperMUC-NG en el Centro de Supercomputación de Jülich (JSC) y el Centro de Supercomputación de Leibniz (LRZ) para ejecutar sistemas de alta resolución Simulaciones de formación de grafeno en cobre líquido.

Una ventana al experimento

El atractivo del grafeno se debe principalmente a la estructura cristalina perfectamente uniforme del material, lo que significa que producir grafeno con impurezas es un esfuerzo inútil. Para entornos de laboratorio o circunstancias en las que solo se necesita una pequeña cantidad de grafeno, los investigadores pueden colocar un trozo de cinta adhesiva sobre un cristal de grafito y "pelar" las capas atómicas del grafito usando una técnica que se asemeja a la que se usaría con cinta adhesiva u otro adhesivo para ayudar a quitar el pelo de las mascotas de la ropa. Si bien esto produce de manera confiable capas de grafeno impecables, el proceso es lento y poco práctico para crear grafeno para aplicaciones a gran escala.

La industria requiere métodos que puedan producir grafeno de alta calidad de manera confiable, más barato y rápido. Uno de los métodos más prometedores que se están investigando implica el uso de un catalizador de metal líquido para facilitar el autoensamblaje de átomos de carbono a partir de precursores moleculares en una sola hoja de grafeno que crece sobre el metal líquido. Si bien el líquido ofrece la capacidad de aumentar la producción de grafeno de manera eficiente, también presenta una serie de complicaciones, como las altas temperaturas necesarias para fundir los metales típicos utilizados, como el cobre.

Al diseñar nuevos materiales, Los investigadores utilizan experimentos para ver cómo interactúan los átomos en una variedad de condiciones. Si bien los avances tecnológicos han abierto nuevas formas de obtener información sobre el comportamiento a escala atómica incluso en condiciones extremas, como temperaturas muy altas, Las técnicas experimentales no siempre permiten a los investigadores observar las reacciones ultrarrápidas que facilitan los cambios correctos en la estructura atómica de un material (o qué aspectos de la reacción pueden haber introducido impurezas). Aquí es donde las simulaciones por computadora pueden ser de ayuda, sin embargo, simular el comportamiento de un sistema dinámico como un líquido no está exento de complicaciones.

"El problema al describir algo como esto es que es necesario aplicar simulaciones de dinámica molecular (MD) para obtener el muestreo correcto, "Dijo Andersen." Entonces, por supuesto, existe el tamaño del sistema:es necesario tener un sistema lo suficientemente grande para simular con precisión el comportamiento del líquido ". A diferencia de los experimentos, Las simulaciones de dinámica molecular ofrecen a los investigadores la capacidad de observar los eventos que ocurren en la escala atómica desde una variedad de ángulos diferentes o pausar la simulación para enfocarse en diferentes aspectos.

Si bien las simulaciones de MD ofrecen a los investigadores información sobre el movimiento de átomos individuales y reacciones químicas que no se pudieron observar durante los experimentos, tienen sus propios desafíos. El principal de ellos es el compromiso entre la precisión y el costo, cuando se confía en métodos ab initio precisos para impulsar las simulaciones de MD, Es extremadamente costoso computacionalmente obtener simulaciones que sean lo suficientemente grandes y que duren lo suficiente para modelar con precisión estas reacciones de una manera significativa.

Andersen y sus colegas utilizaron alrededor de 2, 500 núcleos en JUWELS en períodos que se extienden a lo largo de más de un mes para las simulaciones recientes. A pesar del enorme esfuerzo computacional, el equipo todavía solo podía simular alrededor de 1, 500 átomos en picosegundos de tiempo. Si bien estos pueden parecer números modestos, Estas simulaciones se encuentran entre las más grandes realizadas de simulaciones MD ab initio de grafeno sobre cobre líquido. El equipo utiliza estas simulaciones de alta precisión para ayudar a desarrollar métodos más baratos para impulsar las simulaciones MD de modo que sea posible simular sistemas más grandes y escalas de tiempo más largas sin comprometer la precisión.

Fortalecimiento de eslabones de la cadena

El equipo publicó su trabajo de simulación récord en el Revista de física química , luego usó esas simulaciones para comparar con los datos experimentales obtenidos en su artículo más reciente, que apareció en ACS Nano .

Andersen indicó que las supercomputadoras de la generación actual, como JUWELS y SuperMUC-NG, permitió al equipo ejecutar su simulación. Máquinas de próxima generación, sin embargo, abriría aún más posibilidades, ya que los investigadores podrían simular más rápidamente números o sistemas más grandes durante períodos de tiempo más largos.

Andersen recibió su Ph.D. en 2014, e indicó que la investigación del grafeno se ha disparado durante el mismo período. "Es fascinante que el material sea un foco de investigación tan reciente; está casi encapsulado en mi propia carrera científica que la gente lo haya examinado de cerca, ", dijo. A pesar de la necesidad de más investigación sobre el uso de catalizadores líquidos para producir grafeno, Andersen indicó que el enfoque de dos frentes de usar tanto HPC como el experimento sería esencial para un mayor desarrollo del grafeno y, Sucesivamente, uso en aplicaciones comerciales e industriales. "En esta investigación, hay una gran interacción entre la teoría y el experimento, y he estado en ambos lados de esta investigación, " ella dijo.