Os átomos dentro dos materiais nem sempre estão perfeitamente ordenados, como geralmente representado em modelos. Em magnético, materiais ferroelétricos (ou mostrando polaridade elétrica) e ligas, há competição entre o arranjo aleatório dos átomos e seu desejo de se alinhar em um padrão perfeito. A mudança entre esses dois estados, chamada de transição de fase, acontece a uma temperatura específica.

Markus Eisenbach, um cientista computacional do Laboratório Nacional Oak Ridge do Departamento de Energia, chefia um grupo de pesquisadores que se propôs a modelar o comportamento desses materiais usando os primeiros princípios - da física fundamental sem condições predefinidas que se encaixem em dados externos.

"Estamos apenas arranhando a superfície para compreender a física subjacente a essas três classes de materiais, mas temos um excelente começo, "Eisenbach diz." Os três estão na verdade sobrepostos no sentido de que seus modos de operação envolvem desordem, excitações térmicas e transições de fase resultantes - da desordem à ordem - para expressar seu comportamento. "

Eisenbach diz que está fascinado por "como o magnetismo aparece e depois desaparece em temperaturas variáveis. Controlar o magnetismo de uma direção para outra tem implicações para o registro magnético, por exemplo, e todos os tipos de máquinas elétricas - por exemplo, motores em automóveis ou geradores em turbinas eólicas. "

Os modelos dos pesquisadores também podem ajudar a encontrar ímãs versáteis que não usam elementos de terras raras como ingrediente. Localizado na parte inferior da tabela periódica, esses 17 materiais vêm quase que exclusivamente da China e, por causa de sua fonte limitada, são considerados críticos. Eles são um pilar na composição de muitos ímãs fortes.

Eisenbach e seus colaboradores, que inclui sua equipe ORNL e Yang Wang com o Pittsburgh Supercomputing Center, estão no segundo ano de um prêmio DOE INCITE (Impacto Computacional Inovador e Novo na Teoria e Experimento) para modelar todos os três materiais no nível atômico. Eles receberam 100 milhões de horas de processador no supercomputador Titan da ORNL e já têm resultados impressionantes em magnéticos e ligas. Titan está alojado no Oak Ridge Leadership Computing Facility (OLCF), uma facilidade de usuário do DOE Office of Science.

Os pesquisadores descobrem o comportamento em escala atômica usando, às vezes, um código híbrido que combina Wang-Landau (WL) Monte Carlo e métodos de espalhamento múltiplo localmente autoconsistente (LSMS). WL é uma abordagem estatística que mostra a paisagem de energia atômica em termos de efeitos de temperatura finitos; O LSMS determina o valor da energia. Com LSMS sozinho, eles calcularam as propriedades magnéticas do estado fundamental de uma partícula de ferro-platina. E sem fazer qualquer suposição além da composição química, eles determinaram a temperatura na qual a liga de cobre-zinco passa de um estado desordenado para um estado ordenado.

Além disso, Eisenbach foi coautor de dois artigos científicos de materiais no ano passado, um em Computação de Liderança, o outro uma carta em Natureza , em que ele e seus colegas relataram o uso de coordenadas tridimensionais de uma nanopartícula de ferro-platina real com 6, Ferro 560 e 16, 627 átomos de platina para encontrar suas propriedades magnéticas.

"Estamos combinando a eficiência da amostragem WL, a velocidade do LSMS e o poder de computação do Titan para fornecer uma descrição sólida da termodinâmica de primeiros princípios do magnetismo, "Eisenbach diz." A combinação também está nos dando um tratamento realista de ligas e materiais funcionais. "

As ligas são compostas de pelo menos dois metais. Latão, por exemplo, é uma liga de cobre e zinco. Ímãs, claro, são usados ​​em tudo, desde cartões de crédito a máquinas de ressonância magnética e em motores elétricos. Materiais ferroelétricos, como titanato de bário e titanato de zircônio, formam o que é conhecido como um momento elétrico, em uma fase de transição, quando as temperaturas caem abaixo da temperatura ferroelétrica de Curie - o ponto onde os átomos se alinham, desencadeando magnetismo espontâneo. O termo - em homenagem ao físico francês Pierre Curie, que no final do século 19 descreveu como os materiais magnéticos respondem às mudanças de temperatura - aplica-se às transições ferroelétricas e ferromagnéticas. Eisenbach e seus colaboradores estão interessados ​​em ambos os fenômenos.

Eisenbach está particularmente intrigado com ligas de alta entropia, uma subclasse relativamente nova descoberta há uma década que pode conter propriedades mecânicas úteis. Ligas convencionais têm um elemento dominante - por exemplo, ferro em aço inoxidável. Ligas de alta entropia, por outro lado, espalhe uniformemente seus elementos em uma estrutura de cristal. Eles não ficam quebradiços quando resfriados, permanecendo flexível em temperaturas extremamente baixas.

Para entender a configuração de ligas de alta entropia, Eisenbach usa a analogia de um tabuleiro de xadrez salpicado de contas pretas e brancas. Em um material pedido, contas pretas ocupam quadrados pretos e contas brancas, quadrados brancos. Em ligas de alta entropia, Contudo, as contas são espalhadas aleatoriamente pela rede, independentemente da cor, até que o material atinja uma temperatura baixa, muito mais baixo do que ligas normais, quando se ordena quase a contragosto.

Eisenbach e seus colegas modelaram um material de até 100, 000 átomos usando o método Wang-Landau / LSMS. "Se eu quiser representar a desordem, Eu quero uma simulação que calcule centenas, senão milhares de átomos, em vez de apenas dois ou três, " ele diz.

Para modelar uma liga, os pesquisadores primeiro implantam a equação de Schrodinger para determinar o estado dos elétrons nos átomos. "Resolver a equação permite que você entenda os elétrons e suas interações, que é a cola que mantém o material unido e determina suas propriedades físicas. "

Todas as propriedades e energias de um material são calculadas por muitas centenas de milhares de cálculos em muitas configurações possíveis e em temperaturas variáveis ​​para dar uma renderização para que os modeladores possam determinar a que temperatura um material perde ou ganha seu magnetismo, ou a que temperatura uma liga vai de um estado desordenado a um perfeitamente ordenado.

Eisenbach aguarda ansiosamente a chegada do supercomputador Summit - cinco a seis vezes mais poderoso que o Titan - ao OLCF no final de 2018. " podemos fazer simulações maiores e possivelmente olhar para materiais desordenados ainda mais complexos com mais componentes e composições amplamente variadas, onde o distúrbio químico pode levar a comportamentos físicos qualitativamente novos. "