Materialforskare studerar och förstår fysiken för att interagera atomer i fasta ämnen för att hitta sätt att förbättra material vi använder i varje aspekt av det dagliga livet. Gränsen för denna forskning ligger inte i trial and error, fastän; för att bättre förstå och förbättra material idag, forskare ska kunna studera materialegenskaper i atomär skala och under extrema förhållanden. Som ett resultat, forskare har alltmer kommit att förlita sig på simuleringar för att komplettera eller informera experiment om egenskaper och beteenden hos material.

Ett team av forskare ledd av Dr. Arkady Krasheninnikov, fysiker vid Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf, samarbetar med experimentalister för att svara på grundläggande frågor om materialegenskaper, och teamet rapporterade nyligen ett genombrott – experimentalisterna kunde i realtid observera litiumatomernas beteende när de placerades mellan två grafenark. Ett grafenark är ett 2D-material, eftersom det bara är en atom tjockt, som gjorde det möjligt att observera litiumatomernas rörelse i transmissionselektronmikroskopi (TEM) experiment.

Med tillgång till superdatorresurser på Gauss Center of Supercomputing (GCS), Krasheninnikovs team använde High-Performance Computing Center Stuttgarts (HLRS) Hazel Hen superdator för att simulera, bekräfta och utöka teamets experimentella resultat. Samarbetet publicerades nyligen i Natur .

"Tvådimensionella material uppvisar användbara och spännande egenskaper, och kan användas för många applikationer, inte bara som ett stöd i TEM, " säger Krasheninnikov. "I huvudsak, 2D-material är i framkant av materialforskning. Det finns troligen ett par tusen av dessa material, och ungefär 50 har faktiskt gjorts."

Under mikroskopet

För att bättre förstå 2D-material experimentellt, forskare använder rutinmässigt TEM. Metoden tillåter dem att suspendera små, tunna bitar av ett material och kör en högenergielektronstråle över den, i slutändan skapa en förstorad bild av materialet som forskare kan studera, ungefär som en filmprojektor tar bilder från en rulle och projicerar dem på en större skärm. Med denna syn på ett material, experimentalister kan bättre kartlägga och uppskatta atomernas positioner och arrangemang.

Högenergistrålen kan göra mer än att bara hjälpa forskare att observera material, men – det är också ett verktyg för att studera de elektroniska egenskaperna hos 2D-material. Dessutom, forskare kan använda högenergielektronerna från TEM för att slå ut enskilda atomer från ett material med hög precision för att se hur materialets beteende förändras baserat på den strukturella förändringen.

Nyligen, experimentalister från Max Planck Institute for Solid State Research, Stuttgart och University of Ulm ville bättre förstå hur litiumpartiklar interagerar mellan två atomtunna grafenskivor. Bättre förståelse för litiuminterkalering, eller placera litium mellan lager av ett annat material (i detta fall, grafen), hjälper forskare att utveckla bättre batteriteknik. Experimentalister fick data från TEM och bad Krasheninnikov och hans medarbetare att rationalisera experimentet med hjälp av simulering.

Simuleringar gör det möjligt för forskare att se ett material atomstruktur från en mängd olika vinklar, och de kan också påskynda trial-and-error-metoden för att designa nya material enbart genom experiment. "Simuleringar kan inte göra hela jobbet, men de kan verkligen begränsa antalet möjliga varianter, och visa riktningen vilken väg du ska gå, " säger Krasheninnikov. "Simuleringar sparar pengar för människor som arbetar inom grundforskning och industri, och som resultat, datormodellering blir mer och mer populärt."

I detta fall, Krasheninnikov och hans medarbetare fann att experimentalisternas atomkoordinater, eller positionerna för partiklar i materialet, skulle inte vara stabil, vilket betyder att materialet skulle trotsa kvantmekanikens lagar. Med hjälp av simuleringsdata, Krasheninnikov och hans medarbetare föreslog en annan atomstruktur, och när teamet körde om sitt experiment, den hittade en perfekt matchning med simuleringen.

"Ibland behöver man inte riktigt hög teori för att förstå atomstrukturen baserat på experimentella resultat, men andra gånger är det verkligen omöjligt att förstå strukturen utan exakta beräkningsmetoder som går hand i hand med experimentet, " säger Krasheninnikov.

För första gången, experimentalisterna såg i realtid hur litiumatomer beter sig när de placeras mellan två grafenark, och med hjälp av simuleringar, fick insikter i hur atomerna var ordnade. Det antogs tidigare att vid en sådan ordning bl.a. litiumet skulle vara strukturerat som ett enda atomlager, men simuleringen visade att litium kunde bilda två- eller treskikt, åtminstone i tvåskiktsgrafen, leder forskare att leta efter nya sätt att förbättra batterieffektiviteten.

Teamet körde effektivt simuleringar av första principer av 1, 000-atomsystem över tidsperioder för att observera kortsiktiga (nanosekunders tidsskala) materialinteraktioner. Större kärnantalet på nästa generations superdatorer kommer att tillåta forskare att inkludera fler atomer i sina simuleringar, vilket innebär att de kan modellera mer realistiska och meningsfulla skivor av ett material i fråga.

Den större utmaningen, enligt Krasheninnikov, relaterar till hur länge forskare kan simulera materialinteraktioner. För att studera fenomen som sker under längre tidsperioder, till exempel hur stress kan bildas och sprida en spricka i metall, till exempel, forskare måste kunna simulera minuter eller till och med timmar för att se hur materialet förändras. Som sagt, forskare måste också ta extremt små tidssteg i sina simuleringar för att exakt modellera de ultrasnabba atomära interaktionerna. Genom att helt enkelt använda fler datorkärnor kan forskare göra beräkningar för större system snabbare, men kan inte få varje tidssteg att gå snabbare om en viss parallelliseringströskel nås.

För att bryta detta problem kommer forskare att omarbeta algoritmer för att beräkna mer effektivt varje tidssteg över ett stort antal kärnor. Krasheninnikov indikerade också att design av koder baserade på kvantberäkning kan möjliggöra simuleringar som kan observera materiella fenomen som händer över längre tidsperioder - kvantdatorer kan vara perfekta för att simulera kvantfenomen. Oavsett vilken riktning forskarna tar, Krasheninnikov noterade att tillgång till superdatorresurser genom GCS och PRACE gör det möjligt för honom och hans team att göra kontinuerliga framsteg. "Vårt team kan inte göra bra forskning utan bra dataresurser, " han sa.