O diamante é o material mais duro encontrado na natureza – o diamante também tem a maior condutividade térmica, permitindo que a maior parte do calor flua rapidamente através dele.



Uma equipe internacional de cientistas descobriu, usando simulações de supercomputadores, que, ao flexionar o diamante, sua condutividade térmica pode ser drasticamente ajustada para cima ou para baixo. Cientistas de todo o mundo estão interessados ​​em estudar a engenharia de deformação elástica para descobrir as propriedades que os materiais exibem quando estão sob grandes tensões de tração ou cisalhamento.

Descobertas como essa podem abrir portas para o desenvolvimento de novos dispositivos microeletrônicos e optoeletrônicos, como chips de computador, sensores quânticos, dispositivos de comunicação e muito mais.

"Nosso estudo demonstra a estrutura para mapear todo o limite de estabilidade do fônon no espaço de deformação hexadimensional, o que pode orientar a engenharia de materiais através da engenharia de deformação elástica, "disse Frank Shi, ex-pesquisador do Departamento de Ciência e Engenharia Nuclear e do Departamento de Ciência e Engenharia de Materiais do Instituto de Tecnologia de Massachusetts.

Shi foi coautor do estudo que revela a condutividade térmica ajustável do diamante, publicado no Proceedings of the National Academy of Sciences em fevereiro de 2024.

Shi e colegas desenvolveram um modelo computacional calibrado contra dados experimentais usando nêutrons e espalhamento de raios X de diamante não deformado para determinar propriedades físicas do diamante deformado, como estabilidade de fônons, estruturas de bandas de fônons e tempos de vida de fônons.

"Ao aplicar esta estrutura, descobrimos que a condutividade térmica da rede à temperatura ambiente do diamante pode ser aumentada ou diminuída em mais de 90% através de tensões mecânicas sem induzir instabilidades dentro do material", acrescentou Shi.

Shi concluiu um trabalho anterior em 2021 que realizou cálculos de mecânica quântica da estrutura da banda eletrônica do diamante, que descreve a energia dos elétrons e foi importante na construção do modelo vibracional da rede.

A equipe científica usou um supercomputador Frontera no Texas Advanced Computing Center (TACC). Eles começaram com uma alocação de Pathways, expandindo posteriormente para uma alocação de recursos de liderança de até cinco milhões de horas de nó.

"Usamos o Frontera para gerar os dados do grande espaço de deformação hexadimensional, além da estrutura tridimensional da banda de fônons, "disse o coautor do estudo Ju Li, professor de Ciência e Engenharia de Materiais e professor da Battelle Energy Alliance em Nuclear Engenharia no MIT.

Li usou Frontera para completar milhares de cálculos da teoria do funcional de densidade para determinar a estrutura da banda de fônons e as propriedades de dispersão de fônons em função do tensor de deformação. Em seguida, eles treinaram uma rede DPU (unidade de processamento de dados) usando aprendizado de máquina para gerar uma função de resposta de nove dimensões para o modelo.

“E com isso, somos capazes de fornecer as propriedades vibracionais e eletrônicas do diamante para deformação arbitrária de forma rápida”, acrescentou Li. "É um cálculo muito mais barato agora com o modelo de aprendizado de máquina. Pela primeira vez, somos capazes de delinear completamente a superfície de 'deformação ideal' de seis dimensões."

De acordo com Li, este trabalho avança o conceito de deformação ideal, proposto pela primeira vez por Yakov Frenkel em 1926, que fornece um número aproximado para cisalhamento simples, sem levar em conta as propriedades individuais do material.

"Com o supercomputador Frontera, conseguimos fazer pela primeira vez um mapa de navegação do espaço de deformação elástica que governa a estabilidade dos fônons e a condutividade térmica do diamante", acrescentou Li.

Em laptops e telefones celulares, a tecnologia padrão de silício de tensão é usada para esticar a estrutura cristalina do transistor em cerca de um por cento, o que faz com que os elétrons se movam mais rápido no canal de silício.

“Estamos subindo para 10%”, disse Li. "E porque é um espaço de seis dimensões, se eu aumentar a magnitude da deformação por um fator de 10, seu volume paramétrico será maior por um fator de um milhão no espaço de deformação elástica. É por isso que precisamos de um cálculo de alta potência para mapear o características."

“Os cálculos da mecânica quântica feitos em Frontera nos deram a verdade básica desses dados para que pudéssemos treinar um modelo de aprendizado de máquina”, acrescentou Shi.

Sem aprendizado de máquina, seriam necessários bilhões de cálculos para modelar o número substancial de estados de deformação

“Isso nos economiza um tempo computacional valioso sem sacrificar a precisão”, disse Shi.

Esta pesquisa se enquadra em um esforço científico maior denominado Iniciativa do Genoma Material (MGI), um análogo conceitual do Projeto Genoma Humano que mapeou e sequenciou genes no genoma humano. O MGI integra modelagem avançada, ferramentas computacionais e experimentais e dados quantitativos para acelerar as descobertas de materiais avançados usados ​​em baterias, chips de computador e muito mais.

"Os seis graus de liberdade de deformação adicionais que estudamos nos proporcionam novas e tremendas liberdades", disse Li. As propriedades vibracionais do fônon são fundamentais para supercondutividade, propriedades termoelétricas e condutividade térmica.

Li acrescentou que Frontera é um recurso “tremendo” não só para a investigação, mas também para a educação e o desenvolvimento da força de trabalho. "Para o meu grupo, o sistema me ajudou a orientar estagiários de West Point dos alunos do ROTC. Eles acham que é extremamente fácil de acessar e usar", disse Li.

Já foi dito muitas vezes que os supercomputadores ajudam a acelerar o processo de descoberta da ciência dos materiais.

"Eles nos permitem usar simulações para iterar rapidamente modelos refinados com base em novos dados e, em seguida, explorar diferentes abordagens para design e descoberta de materiais", concluiu Shi. "Este ciclo rápido de testes de hipóteses acelera a transição de insights teóricos para aplicações práticas. É um paradigma significativo e muito necessário para que os cientistas de materiais conduzam pesquisas modernas."