Med tillkomsten av laserteknik på 1960 -talet, materialforskare fick ett nytt verktyg för att både studera och modifiera material. I dag, lasrar tillåter forskare att manipulera material på atomära och subatomära nivåer, som leder till nytt material och en mängd andra applikationer.

Till exempel, genom att kontrollera laservåglängd, intensitet, och pulslängd, forskare kan ändra metaller för att visa användbara nya egenskaper för ett brett spektrum av applikationer. Fram till de senaste åren, forskare förlitade sig på experimentella försök och fel för att uppnå de önskade egenskaperna, men i superdatornas tid, experiment kan göras i ett virtuellt laboratorium.

Professor vid University of Virginia professor Leonid Zhigilei ledde ett team som skapade ett sådant virtuellt laboratorium genom att använda datorresurser vid Oak Ridge Leadership Computing Facility (OLCF), ett US Department of Energy (DOE) Office of Science User Facility som ligger på DOE:s Oak Ridge National Laboratory. Teamet använde OLCF:s Superdator Titan för att få djupare insikter om laserinteraktioner med metallytor.

"Snabb expansion av praktiska tillämpningar av ultrakort pulslaserbehandling, inklusive konstruktion av nya material, kräver förståelse för grundläggande mekanismer för laserinducerade struktur- och fasomvandlingar, "Sade Zhigilei." Experimentell undersökning av dessa transformationer, som äger rum på picosekundens tidsskala (en-biljondel av en sekund), är svårt, dyr, och ofta inte ens genomförbart. Att utföra "virtuella experiment" på en superdator är ett attraktivt alternativ.

"Dessutom, beräkningsresultat kan vägleda fokuserad experimentell utforskning av de mest lovande bestrålningsregimer eller intressanta fenomen som förutses i simuleringarna, " han sa.

Genom att använda en kombination av virtuella och verkliga experiment, laget får en grundläggande förståelse för mekanismerna för materialinteraktioner som induceras av lasrar.

Korta pulser, stora simuleringar

Termen laser är faktiskt en förkortning för ljusförstärkning genom stimulerad strålning. Det synliga ljuset som vi ser i vårt dagliga liv är elektromagnetisk strålning - energi - som faller inom en våglängd våra ögon kan uppfatta. Atomer måste vara upphetsade för att släppa sin ljusemitterande energi, fastän, och lasrar utnyttjar dessa atoms energi till strålar.

Dessa strålar är en samling av sammanhängande ljusvågor. Mängden energi de bär, dock, kan variera mycket, och både lågenergi- och högenergilasare har gjort enorma effekter på det moderna livet. Lågenergilasrar hjälpte till att inleda epoken med CD- och DVD-skivor, högenergilasare har förenklat otaliga medicinska procedurer och möjliggjort ett brett spektrum av materialdesignapplikationer. Det senare av dessa kräver precision och en detaljerad förståelse för hur lasrar interagerar med ett material på nanoskala.

Zhigilei noterade att hans team har fokuserat på att förstå de ultrasnabba fasövergångarna som utlöses av laserbestrålning, eller de vägar materialet tar för att gå från ett materiellt tillstånd till ett annat, som att is smälter och blir vatten.

Om en värmekälla träffar en isbit, till exempel, det börjar smälta vid uppvärmningspunkten. Värme överförs sedan till de kallare områdena bakom, smälter hela kuben i huvudsak från framsidan till baksidan. Lasernas intensiva energi, fastän, gör det möjligt för samma isbit att smälta inifrån eller smälta i olika regioner samtidigt. När det gäller en isbit, hela fastämnet blir till slut vatten, men när forskare försöker katalogisera metalliska ytförändringar i nanoskala, bilden blir mer komplex. Att förstå detaljerna i dessa fasövergångar är avgörande för att förutsäga materialegenskaper som kan vara av intresse för praktiska tillämpningar.

Zhigileis team använder superdatorer för att simulera dessa fasomvandlingar i atomskala. För att skapa meningsfulla simuleringar, fastän, laget behöver simulera miljoner eller, i vissa fall, miljarder atomer. De kan sedan se hur atomer rör sig över en sekvens av mycket korta ögonblick i tid som kallas tidssteg. Genom att köra långa simuleringar som består av miljontals tidssteg, forskare kan kanske observera alla processer som sker under en laser-metall-interaktion under en total tid på flera nanosekunder (varje nanosekund är en miljarddel av en sekund). Teamet körde nyligen en 2,8 miljarder atom simulering av silver i 3,2 nanosekunder, så att den för första gången kan jämföra den frysta ytans morfologi - dess ytstruktur - med experimentella data.

Nya nanostrukturer från metallmorfologi

Lasrar kan genomsyra metaller med många nya egenskaper. Ett sätt att göra detta är att använda laserablation, eller processen att selektivt ta bort små mängder material, därmed förändras ytmorfologin och mikrostrukturen. Även om det ofta är osynligt för det mänskliga ögat, denna process kan göra stora förändringar av metallens egenskaper. Laserablation bestrålar ytan av metall i en snabb, våldsam interaktion, skapar mycket små explosioner av partiklar som avlägsnas från materialet. När metallen svalnar, den uppvisar nya fastigheter, beroende på processen.

Ingenjörer kan använda lasrar för att påverka hur en metallyta interagerar med vatten - vilket tvingar vatten att rulla av ytan i en viss riktning, till exempel. Forskare kan skapa svarta ytor på metaller utan att använda färg eller andra syntetiska material. Korta laserpulser kan också lokalt ändra metallernas hårdhet; för ökad flexibilitet, ingenjörer kan göra ett hårt yttre skal av ett metallprov och samtidigt hålla insidan mjukare.

I många fall, metallbearbetning sker i ett vakuum, så att ingenjörer kan förhindra att föroreningar kommer in i det bearbetade materialet. Även om Zhigilei -teamet främst fokuserade på att simulera metall -laser -interaktioner i ett vakuum, datortiden som tilldelats genom programmet Innovative and Novel Computational Impact on Theory and Experiment (INCITE) tillät laget att simulera dessa processer i mer komplexa scenarier, också. "Laserablation i vätskor, särskilt, används aktivt för att skapa rena kolloidala nanopartiklar [nanopartiklar som är olösliga och jämnt spridda i ett lösningsmedel] med unika former och funktioner som är lämpliga för tillämpningar inom olika områden, inklusive biomedicin, kemisk katalys, och plasmonik, "sade teammedlem och University of Virginia doktorand Cheng-Yu Shih.

"Medan, experimentellt, vätskemiljön har visat sig starkt påverka nanopartikelstorleksfördelningarna och mikrostrukturen hos lasermodifierade ytor, de fysiska mekanismerna för laserytemodifiering och ablation i vätskor är fortfarande dåligt förstådda. Interaktionen mellan ablationsplummen [ett moln av metallånga och små droppar som matas ut från det bestrålade målet] med den flytande miljön tillför ett ytterligare lager av komplexitet till laserablationen. Atomistiska simuleringar hjälper till att belysa initialen, mycket kritiskt stadium av ablationsplume och vätskeinteraktion och förutsäga de efterföljande mekanismerna för nanopartiklar på atomnivå. Med tillgång till INCITE -resurserna, det blir möjligt att ta itu med det utmanande problemet med atomistisk modellering av nanopartiklar genom laserablation i vätskor, "Fortsatte Shih.

Lagets förmåga att utöka sina simuleringar kom från att utrusta koden för att använda acceleratorer som Titans GPU:er. Under sitt INCITE -projekt, teamet arbetade med OLCF:s vetenskapliga datorsamband Mark Berrill och OLCF -användarstödpersonal för att förbättra hybridkodens prestanda.

Som ett resultat, laget kunde uppnå en sjufaldig hastighet jämfört med bara processorer. Dessa hastigheter hjälpte laget att köra större, mer komplexa simuleringar och utöka studien till simuleringar av metallbearbetning utanför ett vakuum. Dessutom, OLCF -personal hjälpte teamet att optimera sina kods I/O -prestanda genom att implementera Adware I/O System (ADIOS) mellanprogram i koden.

Teamet arbetade också med OLCF -datavetenskaparen Benjamin Hernandez för att hjälpa till med visualisering av atomkonfigurationer som består av miljarder atomer.

Teamet tillskriver en mängd beräkningsresurser till dess framgång. "Med en mycket optimerad datorkod som körs parallellt på tusentals datanoder och till fullo utnyttjar den moderna datorteknikens möjligheter, inklusive låg latens och hög bandbreddsanslutningar mellan noder och högpresterande GPU -acceleratorer, det är nu möjligt att ta itu med de mest ambitiösa och otroligt utmanande beräkningsproblemen inom vårt område, "sa teammedlemmen och University of Virginia doktorand Maxim Shugaev.

Inför nästa år av sitt INCITE -pris, laget planerar att fokusera på laser -metall -interaktioner i vätskor för att få en fullständig bild av hur ytspänning, kritisk temperatur, tryck, och olika miljöer styr metallytmorfologi och mikrostruktur.