Com o advento da tecnologia laser na década de 1960, os cientistas de materiais ganharam uma nova ferramenta para estudar e modificar materiais. Hoje, lasers permitem aos pesquisadores manipular materiais em níveis atômicos e subatômicos, levando a novos materiais e uma série de outras aplicações.

Por exemplo, controlando o comprimento de onda do laser, intensidade, e duração do pulso, os pesquisadores podem modificar metais para exibir novas propriedades úteis para uma ampla gama de aplicações. Até anos recentes, pesquisadores confiaram em tentativa e erro experimental para alcançar as propriedades desejadas, mas na era da supercomputação, experimentos podem ser feitos em um laboratório virtual.

O professor Leonid Zhigilei da Universidade da Virgínia liderou uma equipe que criou esse laboratório virtual usando recursos de computação no Oak Ridge Leadership Computing Facility (OLCF), um Centro de Usuários do Escritório de Ciências do Departamento de Energia dos EUA (DOE) localizado no Laboratório Nacional de Oak Ridge do DOE. A equipe usou o supercomputador Titan do OLCF para obter insights mais profundos sobre as interações do laser com superfícies de metal.

"A rápida expansão das aplicações práticas do processamento de laser de pulso ultracurto, incluindo engenharia de novos materiais, requer a compreensão dos mecanismos fundamentais das transformações estruturais e de fase induzidas por laser, "Zhigilei disse." Sondagem experimental dessas transformações, que ocorrem na escala de tempo de picossegundos (um trilionésimo de segundo), é difícil, caro, e muitas vezes nem mesmo viável. A realização de 'experimentos virtuais' em um supercomputador oferece uma alternativa atraente.

"Além disso, resultados computacionais podem orientar a exploração experimental focada dos regimes de irradiação mais promissores ou fenômenos interessantes previstos nas simulações, " ele disse.

Usando uma combinação de experimentos virtuais e do mundo real, a equipe está adquirindo uma compreensão fundamental dos mecanismos de interação de materiais induzida por lasers.

Pulsos curtos, grandes simulações

O termo laser é, na verdade, um acrônimo para amplificação de luz por emissão estimulada de radiação. A luz visível que vemos em nossa vida diária é a radiação eletromagnética - energia - que cai em um comprimento de onda que nossos olhos podem perceber. Os átomos devem estar animados para liberar sua energia emissora de luz, no entanto, e os lasers aproveitam a energia desses átomos em feixes.

Esses feixes são uma coleção de ondas de luz coerentes. A quantidade de energia que eles carregam, Contudo, pode variar amplamente, e os lasers de baixa e alta energia causaram um grande impacto na vida moderna. Os lasers de baixa energia ajudaram a inaugurar a era dos CDs e DVDs, enquanto os lasers de alta energia simplificaram inúmeros procedimentos médicos e possibilitaram uma ampla gama de aplicações de design de materiais. Este último requer precisão e uma compreensão detalhada de como os lasers interagem com um material em nanoescala.

Zhigilei observou que sua equipe se concentrou em compreender as transições de fase ultrarrápidas desencadeadas pela irradiação a laser, ou os caminhos que o material percorre para ir de um estado da matéria para outro, como o gelo derretendo e se transformando em água.

Se uma fonte de calor atinge um cubo de gelo, por exemplo, ele começa a derreter no ponto de aquecimento. O calor então se transfere para as regiões mais frias atrás, derreter o cubo inteiro essencialmente da frente para trás. A intensa energia dos lasers, no entanto, torna possível que o mesmo cubo de gelo derreta por dentro ou derreta em várias regiões simultaneamente. No caso de um cubo de gelo, todo o sólido finalmente se transforma em água, mas quando os pesquisadores estão tentando catalogar as mudanças da superfície metálica em nanoescala, a imagem se torna mais complexa. Compreender os detalhes dessas transições de fase é essencial para prever as propriedades do material que podem ser de interesse para aplicações práticas.

A equipe de Zhigilei usa supercomputadores para simular essas transformações de fase em escalas atômicas. Para criar simulações significativas, no entanto, a equipe precisa simular milhões ou, em alguns casos, bilhões de átomos. Eles podem então observar como os átomos se movem em uma sequência de breves momentos no tempo, chamados de etapas de tempo. Ao executar longas simulações que consistem em milhões de etapas de tempo, os pesquisadores podem ser capazes de observar todos os processos que acontecem durante uma interação laser-metal durante um tempo total de vários nanossegundos (cada nanossegundo é um bilionésimo de segundo). A equipe executou recentemente uma simulação de 2,8 bilhões de átomos de prata por 3,2 nanossegundos, permitindo-lhe comparar pela primeira vez a morfologia da superfície congelada - sua estrutura de superfície - com dados experimentais.

Novas nanoestruturas da morfologia do metal

Lasers podem imbuir metais com muitas propriedades inovadoras. Uma maneira de fazer isso é usar a ablação a laser, ou o processo de remoção seletiva de pequenas quantidades de material, alterando assim a morfologia da superfície e microestrutura. Embora muitas vezes invisível ao olho humano, este processo pode fazer grandes mudanças nas características de um metal. A ablação a laser irradia a superfície do metal de uma forma rápida, interação violenta, criando explosões muito pequenas de partículas sendo removidas do material. Conforme o metal esfria, exibe novas propriedades, dependendo do processo.

Os engenheiros podem usar lasers para influenciar como uma superfície de metal interage com a água, forçando a água a rolar para fora da superfície em uma determinada direção, por exemplo. Os pesquisadores podem criar superfícies pretas em metais sem usar tinta ou outros materiais sintéticos. Pulsos de laser curtos também podem modificar localmente a dureza dos metais; para maior flexibilidade, os engenheiros podem fazer uma casca externa dura de uma amostra de metal, mantendo o interior mais macio.

Em muitos casos, o processamento do metal ocorre no vácuo, permitindo assim que os engenheiros evitem que contaminantes entrem no material processado. Embora a equipe de Zhigilei tenha se concentrado principalmente na simulação de interações metal-laser no vácuo, o tempo de computação concedido por meio do programa Impacto Computacional Inovador e Novo na Teoria e Experimento (INCITE) permitiu à equipe simular esses processos em cenários mais complexos, também. "Ablação a laser em líquidos, em particular, é ativamente usado para geração de nanopartículas coloidais limpas [nanopartículas que são insolúveis e uniformemente dispersas em um solvente] com formas e funcionalidades exclusivas adequadas para aplicações em vários campos, incluindo biomedicina, catálise química, e plasmonics, "disse o membro da equipe e estudante de graduação da Universidade da Virgínia, Cheng-Yu Shih.

"Enquanto, experimentalmente, o ambiente líquido demonstrou afetar fortemente as distribuições de tamanho das nanopartículas e a microestrutura das superfícies modificadas por laser, os mecanismos físicos de modificação da superfície do laser e ablação em líquidos ainda são pouco conhecidos. A interação da pluma de ablação [uma nuvem de vapor de metal e pequenas gotas ejetadas do alvo irradiado] com o ambiente líquido adiciona uma camada adicional de complexidade à ablação a laser. Simulações atomísticas ajudam a lançar luz sobre o estágio muito crítico da pluma de ablação e interação do líquido e prever os mecanismos de formação de nanopartículas subsequentes no nível atômico. Com acesso aos recursos do INCITE, torna-se possível resolver o problema desafiador da modelagem atomística da geração de nanopartículas por ablação a laser em líquidos, "Shih continuou.

A capacidade da equipe de expandir suas simulações veio de equipar seu código para usar aceleradores como as GPUs do Titan. Durante o curso de seu projeto INCITE, a equipe trabalhou com o representante de computação científica do OLCF, Mark Berrill, e a equipe de suporte ao usuário do OLCF para melhorar o desempenho do código híbrido.

Como resultado, a equipe foi capaz de atingir uma aceleração de sete vezes em relação aos métodos apenas de CPU. Essas acelerações ajudaram a equipe a correr mais, simulações mais complexas e expandir o estudo para as simulações de processamento de metal fora do vácuo. Além disso, A equipe do OLCF ajudou a equipe a otimizar o desempenho de E / S de seus códigos implementando o middleware Adaptive I / O System (ADIOS) no código.

A equipe também trabalhou com o cientista da computação do OLCF Benjamin Hernandez para ajudar na visualização das configurações atômicas que consistem em bilhões de átomos.

A equipe atribui uma variedade de recursos computacionais ao seu sucesso. "Com um código de computador altamente otimizado que é executado em paralelo em milhares de nós de computador e utiliza totalmente os recursos da tecnologia de computação moderna, incluindo interconexões de baixa latência e alta largura de banda entre os nós e aceleradores de GPU de alto desempenho, agora é possível resolver os problemas computacionais mais ambiciosos e incrivelmente desafiadores em nosso campo, "disse Maxim Shugaev, membro da equipe e estudante de pós-graduação da Universidade da Virgínia.

Passando para o próximo ano de seu prêmio INCITE, a equipe planeja se concentrar nas interações laser-metal em líquidos para obter uma imagem completa de como a tensão superficial, temperatura critica, pressão, e diferentes ambientes controlam a morfologia e a microestrutura da superfície do metal.