Quando os primeiros humanos descobriram como controlar o fogo, eles foram capazes de lutar contra a escuridão noturna que os envolvia. Com a invenção e a ampla adoção da eletricidade, ficou mais fácil separar o calor da luz, trabalhar durante a noite e iluminar vagões de trem em estradas. Nos últimos anos, formas antigas de geração de luz elétrica, como lâmpadas halógenas, deram lugar a alternativas mais eficientes em termos de energia, barateando ainda mais os custos para iluminar nossas casas, locais de trabalho e vidas em geral.
Infelizmente, no entanto, a geração de luz branca por tecnologias mais recentes, como diodos emissores de luz (LEDs) não é simples e muitas vezes depende de uma categoria de materiais chamados "metais de terras raras", que são cada vez mais escassos. Isso levou recentemente os cientistas a procurar maneiras de produzir luz branca de forma mais sustentável. Pesquisadores da Universidade de Giessen, da Universidade de Marburg e do Instituto de Tecnologia de Karlsruhe descobriram recentemente uma nova classe de material chamada "vidro cluster" que mostra um grande potencial para substituir os LEDs em muitas aplicações.

"Estamos testemunhando o nascimento da tecnologia de geração de luz branca que pode substituir as fontes de luz atuais. Ela traz todos os requisitos que nossa sociedade pede:disponibilidade de recursos, sustentabilidade, biocompatibilidade", disse o Prof. Dr. Simone Sanna, Professor da Universidade de Giessen e pesquisador computacional líder no projeto.

"Meus colegas das ciências experimentais, que observaram essa inesperada geração de luz branca, pediram suporte teórico. O vidro cluster tem uma resposta óptica incrível, mas não entendemos o porquê. Os métodos computacionais podem ajudar a entender esses mecanismos. Essa é exatamente a desafio que os teóricos querem enfrentar."

Sanna e seus colaboradores se voltaram para o poder da computação de alto desempenho (HPC), usando o supercomputador Hawk no High-Performance Computing Center Stuttgart (HLRS) para entender melhor o vidro de cluster e como ele pode servir como uma fonte de luz de próxima geração . Eles publicaram suas descobertas em Materiais Avançados .

Visão clara sobre a formação de vidro de aglomerado

Se você não é um cientista de materiais ou químico, a palavra vidro pode significar apenas o material claro e sólido em suas janelas ou em sua mesa de jantar. O vidro é na verdade uma classe de materiais que são considerados "sólidos amorfos"; isto é, eles não possuem uma rede cristalina ordenada, muitas vezes devido a um processo de resfriamento rápido. No nível atômico, suas partículas constituintes estão em estado suspenso e desordenado. Ao contrário dos materiais de cristal, onde as partículas são ordenadas e simétricas em uma longa distância molecular, a desordem dos óculos no nível molecular os torna ótimos para dobrar, fragmentar ou refletir a luz.

Experimentalistas da Universidade de Marburg sintetizaram recentemente um tipo de vidro chamado "vidro aglomerado". Ao contrário de um vidro tradicional que quase se comporta como um líquido congelado no lugar, o vidro de aglomerado, como o nome indica, é uma coleção de aglomerados separados de moléculas que se comportam como um pó à temperatura ambiente. Eles geram luz branca brilhante e clara após irradiação por radiação infravermelha. Embora os pós não possam ser facilmente usados ​​para fabricar componentes eletrônicos pequenos e sensíveis, os pesquisadores encontraram uma maneira de reformulá-los em forma de vidro:"Quando derretemos o pó, obtemos um material que tem todas as características de um vidro e pode ser colocar em qualquer forma necessária para uma aplicação específica", disse Sanna.

Enquanto os experimentalistas conseguiram sintetizar o material e observar suas propriedades luminosas, o grupo se voltou para Sanna e HPC para entender melhor como o vidro de aglomerado se comporta da maneira que se comporta. Sanna apontou que a geração de luz branca não é uma propriedade de uma única molécula em um sistema, mas o comportamento coletivo de um grupo de moléculas. Mapear as interações dessas moléculas umas com as outras e com seu ambiente em uma simulação significa, portanto, que os pesquisadores devem capturar os comportamentos em larga escala da geração de luz e também observar como as interações atômicas de pequena escala influenciam o sistema. Qualquer um desses fatores seria computacionalmente desafiador. Modelar esses processos em várias escalas, no entanto, só é possível usando os principais recursos de HPC, como o Hawk.

A colaboração entre experimentalistas e teóricos tornou-se cada vez mais importante na ciência dos materiais, pois sintetizar muitas iterações de um material semelhante pode ser lento e caro. A computação de alto desempenho, indicou Sanna, torna muito mais rápido identificar e testar materiais com novas propriedades ópticas. "A relação entre teoria e experimento é um loop contínuo. Podemos prever as propriedades ópticas de um material que foi sintetizado por nossos colegas químicos e usar esses cálculos para verificar e entender melhor as propriedades do material", disse Sanna. "Também podemos projetar novos materiais em um computador, fornecendo informações que os químicos podem usar para se concentrar na síntese de compostos com maior probabilidade de serem úteis. Dessa forma, nossos modelos inspiram a síntese de novos compostos com propriedades ópticas personalizadas".

No caso do vidro cluster, essa abordagem resultou em um experimento que foi verificado por simulação, com modelagem ajudando a mostrar aos pesquisadores a ligação entre as propriedades ópticas observadas e a estrutura molecular de seu material de vidro cluster e agora pode avançar como candidato para substituir fontes de luz fortemente dependentes de metais de terras raras.

A HPC agiliza os prazos de P&D

O HPC desempenha um papel importante em ajudar os pesquisadores a acelerar a linha do tempo entre a nova descoberta e o novo produto ou tecnologia. Sanna explicou que a HPC reduziu drasticamente o tempo para obter uma melhor compreensão do vidro de aglomerado. "Gastamos muito tempo fazendo simulação, mas é muito menos do que caracterizar esses materiais na realidade", disse ele. "Os aglomerados que modelamos têm um núcleo em forma de diamante com 4 ligantes (cadeias moleculares) ligados a ele. Esses ligantes podem ser feitos de várias coisas, então fazer isso em um experimento é demorado."

Sanna apontou que a equipe ainda está limitada por quanto tempo eles podem realizar corridas individuais para suas simulações. Muitos projetos de pesquisa em supercomputadores podem dividir um sistema complexo em muitas partes pequenas e executar cálculos para cada parte em paralelo. A equipe de Sanna precisa prestar atenção especial às interações de partículas de longa distância em grandes sistemas, para que sejam limitadas pelo quanto podem dividir sua simulação entre nós de computador. Ele indicou que ter acesso regular a tempos de execução mais longos - mais de um dia direto em um supercomputador - permitiria que a equipe trabalhasse mais rapidamente.

Em estudos em andamento de vidro de aglomerado, a equipe de Sanna espera entender completamente a origem de suas propriedades geradoras de luz. Isso pode ajudar a identificar novos materiais adicionais e determinar a melhor forma de aplicar o vidro de cluster na geração de luz.

Sanna explicou que os recursos de HPC no HLRS foram essenciais para a pesquisa científica básica de sua equipe, que ele espera que leve a novos produtos que possam beneficiar a sociedade. "A principal conquista computacional neste artigo de jornal só foi possível através do nosso acesso à máquina em Stuttgart", disse ele. + Explorar mais

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