Snön faller på vintern och smälter på våren, men vad driver fasförändringen däremellan?

Även om smältning är ett välbekant fenomen i vardagen, spelar en roll i många industriella och kommersiella processer, mycket återstår att upptäcka om denna omvandling på en grundläggande nivå.

2015, ett team som leds av University of Michigan Sharon Glotzer använde högpresterande beräkning vid Department of Energy's (DOE) Oak Ridge National Laboratory för att studera smältning i tvådimensionella (2-D) system, ett problem som kan ge insikter om ytinteraktioner i material som är viktiga för tekniker som solpaneler, såväl som i mekanismen bakom tredimensionell smältning. Teamet undersökte hur partikelform påverkar fysiken för en fast-till-vätska smältövergång i två dimensioner.

Använda Cray XK7 Titan superdator vid Oak Ridge Leadership Computing Facility (OLCF), en DOE Office of Science User Facility, teamets arbete avslöjade att partiklarnas form och symmetri dramatiskt kan påverka smältprocessen. Detta grundläggande fynd kan hjälpa forskare att leta efter nanopartiklar med önskvärda egenskaper för energitillämpningar.

För att ta itu med problemet, Glotzers team behövde en superdator som kan simulera system med upp till 1 miljon hårda polygoner, enkla partiklar som används som stand-ins för atomer, allt från trianglar till 14-sidiga former. Till skillnad från traditionella molekylära dynamiksimuleringar som försöker efterlikna naturen, hårda polygonsimuleringar ger forskare en nedskalad miljö där man kan utvärdera formpåverkad fysik.

"Inom vår simulerade 2-D-miljö, vi fann att smältövergången följer ett av tre olika scenarier beroende på formen på systemens polygoner, "University of Michigan forskare Joshua Anderson sa." Speciellt, vi fann att system som består av sexkantar perfekt följer en välkänd teori för 2-D-smältning, något som inte har beskrivits förrän nu. "

Shifting Shape Scenarios

I 3D-system som en tunnare istapp, smältning har formen av en första ordnings fasövergång. Detta betyder att samlingar av molekyler inom dessa system existerar i antingen fast eller flytande form utan mellanting i närvaro av latent värme, energin som driver en fast-till-vätskefasförändring. I 2-D-system, t.ex. tunnfilmsmaterial som används i batterier och annan teknik, smältning kan vara mer komplex, ibland uppvisar en mellanliggande fas som kallas den hexatiska fasen.

Den hexatiska fasen, ett tillstånd som karakteriseras som en halvvägs mellan ett ordnat fast ämne och en störd vätska, teoretiserades först på 1970 -talet av forskarna John Kosterlitz, David Thouless, Burt Halperin, David Nelson, och Peter Young. Fasen är ett principiellt inslag i KTHNY -teorin, en 2-D-smältningsteori från forskarna (och namngiven baserad på de första bokstäverna i deras efternamn). 2016 fick Kosterlitz och Thouless Nobelpriset i fysik, tillsammans med fysikern Duncan Haldane, för deras bidrag till 2-D materialforskning.

På molekylär nivå, fast, hexatisk, och flytande system definieras av arrangemanget av deras atomer. I ett kristallint fast ämne, två typer av ordning är närvarande:translationell och orienterande. Translationsordning beskriver de väldefinierade vägarna mellan atomer över avstånd, som block i ett omsorgsfullt konstruerat Jenga -torn. Orienteringsordning beskriver den relationella och klusterade ordningen som delas mellan atomer och grupper av atomer över avstånd. Tänk på att samma Jenga -torn vände snett efter flera spelomgångar. Tornets allmänna form kvarstår, men dess ordning är nu fragmenterad.

Den hexatiska fasen har ingen translationell ordning men besitter orienteringsordning. (En vätska har varken translationell eller orienteringsordning men uppvisar kortdistansordning, vilket betyder att varje atom kommer att ha ett genomsnittligt antal grannar i närheten men utan någon förutsägbar ordning.)

Att avlägsna närvaron av en hexatisk fas kräver en dator i ledarskapsklass som kan beräkna stora hårda partikelsystem. Glotzers team fick tillgång till OLCF:s 27-petaflop Titan genom programmet Innovative and Novel Computational Impact on Theory and Experiment (INCITE), kör sin GPU-accelererade HOOMD-blå kod för att maximera tiden på maskinen.

På Titan, HOOMD-blue använde 64 GPU:er för varje massivt parallella Monte Carlo-simulering av upp till 1 miljon partiklar. Forskare utforskade 11 olika formsystem, applicera ett yttre tryck för att pressa ihop partiklarna. Varje system simulerades med 21 olika densiteter, med de lägsta densiteterna som representerar ett flytande tillstånd och de högsta densiteterna ett fast tillstånd.

Simuleringarna visade flera smältningsscenarier som beror på polygonernas form. System med polygoner på sju sidor eller mer följde hårddiskarnas smältbeteende, eller cirklar, uppvisar en kontinuerlig fasövergång från den fasta till den hexatiska fasen och en första ordnings fasövergång från den hexatiska till den flytande fasen. En kontinuerlig fasövergång innebär ett ständigt föränderligt område som svar på ett förändrat yttre tryck. En första ordnings fasövergång kännetecknas av en diskontinuitet där volymen hoppar över fasövergången som svar på det förändrade yttre trycket. Teamet hittade femkanter och fyrfaldiga pentiller, oregelbundna femkantar med två olika kantlängder, uppvisar en första ordningens fast-till-vätskefasövergång.

Det viktigaste fyndet, dock, kom från sexkantssystem, som perfekt följde fasövergången som beskrivs av KTHNY -teorin. I detta scenario, partiklarnas skift från fast till hexatisk och hexatisk till vätska i ett perfekt kontinuerligt fasövergångsmönster.

"Det var faktiskt överraskande att ingen annan har funnit det förrän nu, "Anderson sa, "eftersom det verkar naturligt att sexkanten, med sina sex sidor, och det bikakeliknande sexkantiga arrangemanget skulle vara en perfekt matchning för denna teori "där den hexatiska fasen i allmänhet innehåller sexfaldig orienteringsordning.

Glotzers team, som nyligen fick ett INCITE -tilldelning 2017, använder nu sin datorförmåga i ledarskapsklass för att hantera fasövergångar i 3D. Teamet fokuserar på hur vätskepartiklar kristalliseras till komplexa kolloider - blandningar där partiklar suspenderas genom en annan substans. Vanliga exempel på kolloider inkluderar mjölk, papper, dimma, och målat glas.

"Vi planerar att använda Titan för att studera hur komplexitet kan uppstå från dessa enkla interaktioner, och för att göra det ska vi faktiskt titta på hur kristallerna växer och studera kinetiken för hur det händer, sa Anderson.