Grafen kan vara bland de mest spännande vetenskapliga upptäckterna under förra seklet. Även om det är slående bekant för oss - grafen anses vara en allotrop av kol, vilket betyder att det i huvudsak är samma ämne som grafit men i en annan atomstruktur – grafen öppnade också upp en ny värld av möjligheter för att designa och bygga ny teknik.

Materialet är tvådimensionellt, vilket betyder att varje "ark" av grafen bara är 1 atom tjockt, men dess bindningar gör den lika stark som några av världens hårdaste metallegeringar samtidigt som den förblir lätt och flexibel. denna värdefulla, unik blandning av egenskaper har väckt intresset hos forskare från ett brett spektrum av områden, leder till forskning om att använda grafen för nästa generations elektronik, nya beläggningar på industriella instrument och verktyg, och ny biomedicinsk teknik.

Det är kanske grafenens enorma potential som följaktligen har orsakat en av dess största utmaningar - grafen är svårt att producera i stora volymer, och efterfrågan på materialet ökar hela tiden. Ny forskning tyder på att användning av en flytande kopparkatalysator kan vara en snabb, effektivt sätt att producera grafen, men forskare har bara en begränsad förståelse för molekylära interaktioner som sker under dessa kort, kaotiska ögonblick som leder till grafenbildning, vilket innebär att de ännu inte kan använda metoden för att tillförlitligt producera felfria grafenark.

För att möta dessa utmaningar och hjälpa till att utveckla metoder för snabbare grafenproduktion, ett team av forskare vid Tekniska universitetet i München (TUM) har använt JUWELS och SuperMUC-NG högpresterande datorsystem (HPC) vid Jülich Supercomputing Center (JSC) och Leibniz Supercomputing Center (LRZ) för att köra högupplösta datorer simuleringar av grafenbildning på flytande koppar.

Ett fönster in i experimentet

Grafens tilltalande härrör främst från materialets perfekt enhetliga kristallstruktur, vilket betyder att framställning av grafen med föroreningar är bortkastad ansträngning. För laboratoriemiljöer eller omständigheter där endast en liten mängd grafen behövs, forskare kan placera en bit scotch-tejp på en grafitkristall och "skala" bort atomlager av grafiten med en teknik som liknar hur man skulle använda tejp eller annat lim för att ta bort djurhår från kläder. Även om detta på ett tillförlitligt sätt producerar felfria grafenlager, processen är långsam och opraktisk för att skapa grafen för storskaliga applikationer.

Industrin kräver metoder som på ett tillförlitligt sätt kan producera högkvalitativt grafen billigare och snabbare. En av de mer lovande metoderna som undersöks involverar att använda en flytande metallkatalysator för att underlätta självmontering av kolatomer från molekylära prekursorer till ett enda grafenark som växer ovanpå den flytande metallen. Medan vätskan erbjuder möjligheten att skala upp grafenproduktionen effektivt, det introducerar också en mängd komplikationer, såsom de höga temperaturer som krävs för att smälta de typiska metallerna som används, såsom koppar.

När man designar nya material, forskare använder experiment för att se hur atomer interagerar under en mängd olika förhållanden. Medan tekniska framsteg har öppnat upp nya sätt att få insikt om beteende i atomär skala även under extrema förhållanden som mycket höga temperaturer, experimentella tekniker tillåter inte alltid forskare att observera de ultrasnabba reaktionerna som underlättar korrekta förändringar av ett material atomstruktur (eller vilka aspekter av reaktionen som kan ha infört föroreningar). Det är här datorsimuleringar kan vara till hjälp, dock, Att simulera beteendet hos ett dynamiskt system som en vätska är inte utan sin egen uppsättning komplikationer.

"Problemet med att beskriva något sådant här är att du måste använda simuleringar av molekylär dynamik (MD) för att få rätt provtagning, " sa Andersen. "Då, självklart, det finns systemstorleken – du måste ha ett tillräckligt stort system för att exakt simulera vätskans beteende." Till skillnad från experiment, molekylära dynamiksimuleringar ger forskare möjligheten att titta på händelser som sker på atomär skala från en mängd olika vinklar eller pausa simuleringen för att fokusera på olika aspekter.

Medan MD-simuleringar ger forskare insikter i rörelsen av enskilda atomer och kemiska reaktioner som inte kunde observeras under experiment, de har sina egna utmaningar. Den främsta bland dem är kompromissen mellan noggrannhet och kostnad – när man förlitar sig på exakta ab initio-metoder för att driva MD-simuleringarna, det är extremt beräkningsmässigt dyrt att få simuleringar som är tillräckligt stora och varar tillräckligt länge för att exakt modellera dessa reaktioner på ett meningsfullt sätt.

Andersen och hennes kollegor använde cirka 2, 500 kärnor på JUWELS under perioder som sträcker sig över mer än en månad för de senaste simuleringarna. Trots den massiva beräkningsansträngningen, laget kunde fortfarande bara simulera runt 1, 500 atomer under pikosekunders tid. Även om dessa kan låta som blygsamma siffror, dessa simuleringar var bland de största som gjorts av ab initio MD-simuleringar av grafen på flytande koppar. Teamet använder dessa mycket noggranna simuleringar för att hjälpa till att utveckla billigare metoder för att driva MD-simuleringarna så att det blir möjligt att simulera större system och längre tidsskalor utan att kompromissa med noggrannheten.

Stärkande länkar i kedjan

Teamet publicerade sitt rekordstora simuleringsarbete i Journal of Chemical Physics , använde sedan dessa simuleringar för att jämföra med experimentella data som erhölls i deras senaste artikel, som dök upp i ACS Nano .

Andersen indikerade att nuvarande generations superdatorer, såsom JUWELS och SuperMUC-NG, gjorde det möjligt för teamet att köra sin simulering. Nästa generations maskiner, dock, skulle öppna ännu fler möjligheter, eftersom forskare snabbare kan simulera större antal eller system över längre tidsperioder.

Andersen tog sin doktorsexamen. under 2014, och indikerade att grafenforskningen har exploderat under samma period. "Det är fascinerande att materialet är ett så nyligen forskningsfokus - det är nästan inkapslat i min egen vetenskapliga karriär att folk har tittat noga på det, " sa hon. Trots behovet av mer forskning om att använda flytande katalysatorer för att producera grafen, Andersen indikerade att det tvådelade tillvägagångssättet att använda både HPC och experiment skulle vara avgörande för att vidareutveckla grafen och, i tur och ordning, användning i kommersiella och industriella tillämpningar. "I denna forskning, det finns ett stort samspel mellan teori och experiment, och jag har varit på båda sidor av denna forskning, " Hon sa.