Diamant är det hårdaste materialet som finns i naturen – diamant har också den högsta värmeledningsförmågan, vilket gör att mest värme kan flöda genom den snabbt.

Ett internationellt team av forskare upptäckte med hjälp av superdatorsimuleringar att genom att böja diamant kan dess värmeledningsförmåga drastiskt trimmas upp eller ner. Forskare över hela världen är intresserade av att studera elastisk töjningsteknik för att upptäcka egenskaperna som material uppvisar när de utsätts för stora drag- eller skjuvpåkänningar.

Fynd som detta kan öppna dörren för utveckling av nya mikroelektroniska och optoelektroniska enheter som datorchips, kvantsensorer, kommunikationsenheter och mer.

"Vår studie visar ramverket för att kartlägga hela fononstabilitetsgränsen i sexdimensionellt spänningsutrymme, vilket kan styra konstruktionen av material genom elastisk töjningsteknik", säger Frank Shi, en tidigare forskare vid institutionen för kärnvetenskap och teknik och avdelningen. of Materials Science and Engineering vid Massachusetts Institute of Technology.

Shi var medförfattare till studien som avslöjar diamants avstämbara värmeledningsförmåga publicerad i Proceedings of the National Academy of Sciences i februari 2024.

Shi och kollegor utvecklade en beräkningsmodell kalibrerad mot experimentella data med neutron- och röntgenspridning av odeformerad diamant för att bestämma fysiska egenskaper hos spänd diamant, såsom fononstabilitet, fononbandstrukturer och fononlivslängder.

"Genom att tillämpa detta ramverk fann vi att den termiska ledningsförmågan hos diamantgitter i rumstemperatur kan ökas eller minskas med mer än 90 % genom mekaniska påfrestningar utan att inducera instabilitet inuti materialet," tillade Shi.

Shi slutförde tidigare arbete 2021 som utförde kvantmekaniska beräkningar av diamantens elektroniska bandstruktur, som beskriver elektronernas energi och var viktig för att konstruera gittervibrationsmodellen.

Det vetenskapliga laget använde en Frontera superdator vid Texas Advanced Computing Center (TACC). De började med en Pathways-allokering, och utökade senare till en Leadership Resource Allocation på upp till fem miljoner nodtimmar.

"Vi använde Frontera för att generera data från det stora, sexdimensionella spänningsutrymmet, förutom den tredimensionella fononbandstrukturen", säger studiens medförfattare Ju Li, professor i materialvetenskap och teknik och Battelle Energy Alliance professor i kärnkraft. Engineering vid MIT.

Li använde Frontera för att slutföra tusentals densitetsfunktionella teoriberäkningar för att bestämma fononbandets struktur och fononspridningsegenskaper som en funktion av töjningstensor. Sedan tränade de ett DPU-nätverk (databehandlingsenhet) med hjälp av maskininlärning för att generera en niodimensionell svarsfunktion för modellen.

"Och med det kan vi tillhandahålla diamantens vibrationsegenskaper och elektroniska egenskaper för godtycklig belastning på ett snabbverkande sätt," tillade Li. "Det är en mycket billigare beräkning nu med maskininlärningsmodellen. För första gången kan vi helt och hållet avgränsa den sexdimensionella "ideal strain"-ytan."

Enligt Li, främjar detta arbete konceptet med idealisk töjning, som först föreslogs av Yakov Frenkel 1926, vilket ger ett kulnummer för enkel skjuvning, utan att ta hänsyn till materialets individuella egenskaper.

"Med Frontera superdator kunde vi göra en navigeringskarta över det elastiska töjningsutrymmet som styr diamantens fononstabilitet och värmeledningsförmåga för första gången", tillade Li.

I bärbara datorer och mobiltelefoner används standard strain silicon-teknologi för att sträcka transistorns kristallgitter med cirka en procent, vilket gör att elektronerna rör sig snabbare i kiselkanalen.

"Vi går upp till 10%", sa Li. "Och eftersom det är ett sexdimensionellt utrymme, om jag ökar töjningsstorleken med en faktor 10, är ​​dess parametriska volym större med en faktor på en miljon i det elastiska töjningsutrymmet. Det är därför vi behöver en högeffektsberäkning för att kartlägga funktioner."

"De kvantmekaniska beräkningarna som gjordes på Frontera gav oss grundsanningen i dessa data så att vi kunde träna en maskininlärningsmodell," tillade Shi.

Utan maskininlärning skulle miljarder beräkningar behövas för att modellera det betydande antalet töjningstillstånd

"Det sparar oss värdefull beräkningstid utan att offra noggrannheten," sa Shi.

Denna forskning passar in i en större vetenskaplig satsning som kallas Material Genome Initiative (MGI), en konceptuell analog till Human Genome Project som kartlade och sekvenserade gener i det mänskliga genomet. MGI integrerar avancerad modellering, beräknings- och experimentella verktyg och kvantitativ data för att påskynda upptäckter av avancerade material som används i batterier, datorchips och mer.

"De ytterligare sex påfrestningsgraderna av frihet vi studerade ger oss enorma nya friheter," sa Li. Fononens vibrationsegenskaper är nyckeln till supraledning, termoelektriska egenskaper och värmeledningsförmåga.

Li tillade att Frontera är en "enorm" resurs inte bara för forskning, utan också för utbildning och arbetskraftsutveckling. "För min grupp har systemet hjälpt mig att vägleda praktikanter från West Point från ROTC-studenterna. De tycker att det är extremt lätt att komma åt och använda", sa Li.

Det har sagts många gånger att superdatorer hjälper till att påskynda den materialvetenskapliga upptäcktsprocessen.

"De gör det möjligt för oss att använda simuleringar för att snabbt iterera förfinade modeller baserat på ny data och sedan utforska olika tillvägagångssätt för materialdesign och hitta," avslutade Shi. "Denna snabba cykel av hypotestestning påskyndar övergången från teoretiska insikter till praktiska tillämpningar. Det är ett viktigt och välbehövligt paradigm för materialvetare att bedriva modern forskning."