När tidiga människor upptäckte hur man kan utnyttja eld, kunde de trycka sig tillbaka mot det nattliga mörkret som omslöt dem. Med uppfinningen och utbredd användning av elektricitet blev det lättare att separera värme från ljus, arbeta hela natten och belysa tågvagnar till motorvägar. Under de senaste åren har gamla former av generering av elektriskt ljus, som halogenlampor, gett vika för mer energieffektiva alternativ, vilket ytterligare sänkt kostnaderna för att lysa upp våra hem, arbetsplatser och liv i allmänhet.

Tyvärr är dock generering av vitt ljus av nyare teknologier som lysdioder (LED) inte okomplicerat och förlitar sig ofta på en kategori av material som kallas "sällsynta jordartsmetaller", som blir alltmer sällsynta. Detta har nyligen fått forskare att leta efter sätt att producera vitt ljus mer hållbart. Forskare vid Giessen University, University of Marburg och Karlsruhe Institute of Technology har nyligen upptäckt en ny klass av material som kallas "klusterglas" som visar stor potential för att ersätta lysdioder i många applikationer.

"Vi bevittnar födelsen av teknik för generering av vitt ljus som kan ersätta nuvarande ljuskällor. Den medför alla de krav som vårt samhälle kräver:tillgång på resurser, hållbarhet, biokompatibilitet", säger prof. dr. Simone Sanna, professor vid Giessen University och ledande beräkningsforskare i projektet.

"Mina kollegor från de experimentella vetenskaperna, som observerade denna oväntade generering av vitt ljus, bad om teoretiskt stöd. Clusterglas har en otrolig optisk respons, men vi förstår inte varför. Beräkningsmetoder kan hjälpa till att förstå dessa mekanismer. Detta är exakt utmaning som teoretiker vill möta."

Sanna och hans medarbetare har vänt sig till kraften i högpresterande beräkningar (HPC), med hjälp av superdatorn Hawk vid High-Performance Computing Center Stuttgart (HLRS) för att bättre förstå klusterglas och hur det kan fungera som nästa generations ljuskälla . De publicerade sina resultat i Advanced Materials .

Klar ögon på bildandet av klusterglas

Om du inte är en materialvetare eller kemist, kan ordet glas bara betyda det klara, solida materialet i dina fönster eller på ditt middagsbord. Glas är faktiskt en klass av material som anses vara "amorfa fasta ämnen." det vill säga att de saknar ett ordnat kristallint gitter, ofta på grund av en snabb avkylningsprocess. På atomnivå är deras ingående partiklar i ett suspenderat, oordnat tillstånd. Till skillnad från kristallmaterial, där partiklar är ordnade och symmetriska över ett långt molekylärt avstånd, gör glasögonens oordning på molekylnivå dem utmärkta för att böja, fragmentera eller reflektera ljus.

Experimentalister från University of Marburg syntetiserade nyligen ett glas som kallas "klusterglas". Till skillnad från ett traditionellt glas som nästan beter sig som en vätska frusen på plats, är klusterglas, som namnet antyder, en samling separata kluster av molekyler som beter sig som ett pulver vid rumstemperatur. De genererar starkt, klart, vitt ljus vid bestrålning med infraröd strålning. Även om pulver inte lätt kan användas för att tillverka små, känsliga elektroniska komponenter, hittade forskarna ett sätt att omgjuta dem i glasform:"När vi smälter pulvret får vi ett material som har alla egenskaper som ett glas och kan lägg i vilken form som helst som behövs för en specifik ansökan", sa Sanna.

Medan experimentalister kunde syntetisera materialet och observera dess ljusegenskaper, vände sig gruppen till Sanna och HPC för att bättre förstå hur klusterglas beter sig som det gör. Sanna påpekade att generering av vitt ljus inte är en egenskap hos en enskild molekyl i ett system, utan det kollektiva beteendet hos en grupp molekyler. Att kartlägga dessa molekylers interaktioner med varandra och med sin omgivning i en simulering innebär därför att forskarna både måste fånga de storskaliga beteendena vid ljusgenerering och även observera hur småskaliga atomära interaktioner påverkar systemet. Vilken som helst av dessa faktorer skulle vara beräkningsmässigt utmanande. Att modellera dessa processer i flera skalor är dock endast möjligt med ledande HPC-resurser som Hawk.

Samarbete mellan experimentalister och teoretiker har blivit allt viktigare inom materialvetenskap, eftersom det kan vara långsamt och dyrt att syntetisera många iterationer av ett liknande material. Högpresterande datoranvändning, indikerade Sanna, gör det mycket snabbare att identifiera och testa material med nya optiska egenskaper. "Förhållandet mellan teori och experiment är en kontinuerlig loop. Vi kan förutsäga de optiska egenskaperna hos ett material som syntetiserades av våra kemistkollegor, och använda dessa beräkningar för att verifiera och bättre förstå materialets egenskaper", sa Sanna. "Vi kan också designa nya material på en dator och tillhandahålla information som kemister kan använda för att fokusera på att syntetisera föreningar som har störst sannolikhet att vara användbara. På så sätt inspirerar våra modeller till syntetisering av nya föreningar med skräddarsydda optiska egenskaper"

När det gäller klusterglas resulterade detta tillvägagångssätt i ett experiment som verifierades genom simulering, med modellering som hjälpte till att visa forskarna kopplingen mellan de observerade optiska egenskaperna och den molekylära strukturen hos deras klusterglasmaterial och kan nu gå vidare som en kandidat att ersätta ljuskällor som är starkt beroende av sällsynta jordartsmetaller.

HPC påskyndar FoU-tidslinjer

HPC spelar en viktig roll för att hjälpa forskare att påskynda tidslinjen mellan ny upptäckt och ny produkt eller teknologi. Sanna förklarade att HPC drastiskt minskade tiden för att få en bättre förståelse för klusterglas. "Vi spenderar mycket tid på att simulera, men det är mycket mindre än att karakterisera dessa material i verkligheten," sa han. "Klustren vi modellerar har en diamantformad kärna med 4 ligander (molekylkedjor) fästa vid den. Dessa ligander kan göras av hur många saker som helst, så att göra detta i ett experiment är tidskrävande."

Sanna påpekade att teamet fortfarande är begränsat av hur länge de kan utföra individuella körningar för sina simuleringar. Många forskningsprojekt om superdatorer kan dela upp ett komplext system i många små delar och köra beräkningar för varje del parallellt. Sannas team behöver ägna särskild uppmärksamhet åt långväga partikelinteraktioner över stora system, så de begränsas av hur mycket de kan dela upp sin simulering över datornoder. Han antydde att att ha regelbunden tillgång till längre körtider – mer än en dag i sträck på en superdator – skulle göra det möjligt för teamet att arbeta snabbare.

I pågående studier av klusterglas hoppas Sannas team att grundligt förstå ursprunget till dess ljusgenererande egenskaper. Detta kan hjälpa till att identifiera ytterligare nya material och att bestämma hur man bäst kan applicera klusterglas i ljusgenerering.

Sanna förklarade att HPC-resurser vid HLRS var avgörande för hans teams grundläggande vetenskapliga forskning, som han hoppas ska leda till nya produkter som kan gynna samhället. "Den huvudsakliga beräkningsprestationen i denna tidskriftsartikel var endast möjlig genom vår tillgång till maskinen i Stuttgart," sa han. + Utforska vidare

Ny glaskeramik avger ljus vid mekanisk påfrestning