Argonne-forskare använde Mira för att identifiera och förbättra en ny mekanism för att eliminera friktion, som ingick i utvecklingen av ett hybridmaterial som uppvisade supersmörjhet i makroskala för första gången. Forskare från Argonne Leadership Computing Facility (ALCF) hjälpte till att möjliggöra de banbrytande simuleringarna genom att övervinna en prestandaflaskhals som fördubblade hastigheten på teamets kod.

När du granskade simuleringsresultaten av ett lovande nytt smörjmedelsmaterial, Argonne-forskaren Sanket Deshmukh snubblade över ett fenomen som aldrig tidigare observerats.

"Jag minns att Sanket ringde mig och sa 'du måste komma hit och se det här. Jag vill visa dig något riktigt coolt, '" sa Subramanian Sankaranarayanan, Argonne beräkningsnanoforskare, som ledde simuleringsarbetet vid Argonne Leadership Computing Facility (ALCF), en DOE Office of Science User Facility.

De blev förvånade över vad datorsimuleringarna avslöjade. När smörjmedelsmaterialen - grafen och diamantliknande kol (DLC) - glider mot varandra, grafenet började rulla ihop sig för att bilda ihåliga cylindriska "rullar" som hjälpte till att praktiskt taget eliminera friktion. Dessa så kallade nanoscrolls representerade en helt ny mekanism för supersmörjhet, ett tillstånd där friktionen i huvudsak försvinner.

"Nanoscrollerna bekämpar friktion på ungefär samma sätt som kullager gör genom att skapa separation mellan ytor, sade Deshmukh, som avslutade sin postdoktoranställning vid Argonne i januari.

Supersmörjhet är en mycket önskvärd egenskap. Med tanke på att nästan en tredjedel av varje bränsletank går åt till att övervinna friktion i bilar, ett material som kan uppnå supersmörjbarhet skulle gynna både industrin och konsumenterna. Sådana material kan också bidra till att öka livslängden för otaliga mekaniska komponenter som slits ner på grund av oupphörlig friktion.

Experimentellt ursprung

Inför beräkningsarbetet, Argonne-forskarna Ali Erdemir, Anirudha Sumant, och Diana Berman studerade hybridmaterialet i laboratorieexperiment vid Argonnes Tribology Laboratory och Center for Nanoscale Materials, en DOE Office of Science User Facility. Den experimentella uppställningen bestod av små fläckar av grafen (en tvådimensionell enkelarksform av rent kol) som gled mot en DLC-belagd stålkula.

Grafen-DLC-kombinationen registrerade en mycket låg friktionskoefficient (ett förhållande som mäter friktionskraften mellan två ytor), men friktionsnivåerna fluktuerade upp och ner utan någon uppenbar anledning. Experimentalisterna var också förbryllade över att finna att fuktiga miljöer fick friktionskoefficienten att skjuta upp till nivåer som var nästan 100 gånger högre än vad som uppmätts i torra miljöer.

För att belysa dessa mystiska beteenden, de vände sig till Sankaranarayanan och Deshmukh för beräkningshjälp. Använder Mira, ALCF:s 10 petaflops IBM Blue Gene/Q superdator, forskarna replikerade de experimentella förhållandena med storskaliga simuleringar av molekylär dynamik som syftade till att förstå de underliggande mekanismerna för superlubricitet på en atomistisk nivå.

Detta ledde till deras upptäckt av grafen nanoscrolls, som hjälpte till att fylla i tomrummen. Materialets fluktuerande friktionsnivåer förklarades av att själva nanoscrollerna inte var stabila. Forskarna observerade ett upprepande mönster där de ihåliga nanorullarna skulle bildas, och sedan grotta in och kollapsa under trycket från lasten.

"Friktionen sjönk till mycket låga värden i det ögonblick då rullningsbildningen ägde rum och sedan hoppade den tillbaka upp till högre värden när grafenplåstren var i ett oscrollat ​​tillstånd, " sa Deshmukh.

Beräkningsforskarna hade en idé för att övervinna detta problem. De försökte införliva nanodiamantpartiklar i sina simuleringar för att se om det hårda materialet kunde hjälpa till att stabilisera nanoscrollerna och göra dem mer permanenta.

Säker nog, simuleringarna visade sig vara framgångsrika. Grafenlapparna rullade spontant runt nanodiamanterna, vilket höll rullarna på plats och resulterade i ihållande supersmörjhet. Simuleringsresultaten matades in i en ny uppsättning experiment med nanodiamanter som bekräftade detsamma.

"Det fina med denna speciella upptäckt är att vi för första gången kunde se ihållande supersmörjhet i makroskala, bevisar att denna mekanism kan användas i teknisk skala för verkliga tillämpningar, "Sankaranarayanan sa. "Detta samarbete är ett perfekt exempel på hur beräkning kan hjälpa till vid design och upptäckt av nya material."

Inte halt när det är blött

Tyvärr, tillägget av nanodiamanter tog inte upp materialets aversion mot vatten. Simuleringarna visade att vatten undertrycker bildandet av rullar genom att öka vidhäftningen av grafen till ytan.

Även om detta i hög grad begränsar hybridmaterialets potentiella tillämpningar, dess förmåga att bibehålla supersmörjbarhet i torra miljöer är ett betydande genombrott i sig.

Forskargruppen är i färd med att söka patent på hybridmaterialet, som potentiellt kan användas för applikationer i torra miljöer, som datorhårddiskar, vindkraftverk, och mekaniska roterande tätningar för mikroelektromekaniska och nanoelektromekaniska system.

Till materialets attraktionskraft bidrar en relativt enkel och kostnadseffektiv deponeringsmetod som kallas droppgjutning. Denna teknik innebär att man sprutar lösningar av materialen på rörliga mekaniska delar. När lösningarna avdunstar, det skulle lämna grafen och nanodiamanter på ena sidan av en rörlig del, och diamantliknande kol på andra sidan.

Dock, kunskapen från deras studier är kanske ännu mer värdefull, sa Deshmukh. Han förväntar sig att nanoscroll-mekanismen kommer att stimulera framtida ansträngningar för att utveckla material som klarar av supersmörjning för ett brett spektrum av mekaniska tillämpningar.

För deras del, Argonne-teamet kommer att fortsätta sina beräkningsstudier för att leta efter sätt att övervinna barriären från vatten.

"Vi utforskar olika ytfunktionaliseringar för att se om vi kan införliva något hydrofobiskt som skulle hålla vatten ute, " sa Sankaranarayanan. "Så länge du kan stöta bort vatten, grafen nanoscrolls skulle potentiellt kunna fungera i fuktiga miljöer också."

Simulerar miljontals atomer

Teamets banbrytande nanoscroll-upptäckt hade inte varit möjlig utan en superdator som Mira. Att replikera den experimentella uppställningen krävde simulering av upp till 1,2 miljoner atomer för torra miljöer och upp till 10 miljoner atomer för fuktiga miljöer.

Forskarna använde LAMMPS-koden (Large-scale Atomic/Molecular Massively Parallel Simulator) för att utföra de beräkningskrävande simuleringarna av reaktiv molekylär dynamik.

Med hjälp av ALCF-katalysatorer, ett team av beräkningsforskare som arbetar direkt med ALCF-användare, de kunde övervinna en prestandaflaskhals med kodens ReaxFF-modul, ett tilläggspaket som behövdes för att modellera de kemiska reaktioner som inträffar i systemet.

ALCF-katalysatorerna, i samarbete med forskare från IBM, Lawrence Berkeley National Laboratory, och Sandia National Laboratories, optimerad LAMMPS och dess implementering av ReaxFF genom att lägga till OpenMP threading, ersätta MPI punkt-till-punkt-kommunikation med MPI-kollektiv i nyckelalgoritmer, och utnyttja MPI I/O. Sammanlagt, dessa förbättringar gjorde att koden fungerade dubbelt så snabbt som tidigare.

"Med kodoptimeringarna på plats, vi kunde modellera fenomenen i verkliga experimentsystem mer exakt, "Simuleringarna på Mira visade oss några fantastiska saker som inte kunde ses i laboratorietester."

Och med det senaste tillkännagivandet av Aurora, ALCF:s nästa generations superdator, Sankaranarayanan är exalterad över var denna forskningslinje kan ta vägen i framtiden.

"Med tanke på tillkomsten av datorresurser som Aurora och det breda spektrumet av tillgängliga tvådimensionella material och nanopartikeltyper, vi föreställer oss skapandet av ett smörjmedelsgenom någon gång i framtiden, "Att ha en materialdatabas som denna skulle göra det möjligt för oss att välja och vraka smörjmedelsmaterial för specifika driftsförhållanden."

Forskarna publicerade nyligen sina resultat från detta projekt i en Science Express .