p Os cientistas da Argonne usaram Mira para identificar e melhorar um novo mecanismo para eliminar o atrito, que alimentou o desenvolvimento de um material híbrido que exibiu superlubricidade na macroescala pela primeira vez. Os pesquisadores do Argonne Leadership Computing Facility (ALCF) ajudaram a habilitar as simulações inovadoras ao superar um gargalo de desempenho que dobrou a velocidade do código da equipe. p Ao revisar os resultados da simulação de um novo material lubrificante promissor, O pesquisador da Argonne, Sanket Deshmukh, tropeçou em um fenômeno que nunca havia sido observado antes.

p "Lembro-me de Sanket me ligando e dizendo 'você tem que vir aqui e ver isso. Eu quero te mostrar uma coisa muito legal, '"disse Subramanian Sankaranarayanan, Nanocientista computacional de Argonne, que liderou o trabalho de simulação no Argonne Leadership Computing Facility (ALCF), um DOE Office of Science User Facility.

p Eles ficaram surpresos com o que as simulações de computador revelaram. Quando os materiais lubrificantes - grafeno e carbono semelhante a diamante (DLC) - deslizaram uns contra os outros, o grafeno começou a se enrolar para formar "rolos" cilíndricos ocos que ajudaram a praticamente eliminar o atrito. Esses chamados nanoscrolls representaram um mecanismo completamente novo para a superlubricidade, um estado em que o atrito essencialmente desaparece.

p "Os nanoscrolls combatem o atrito da mesma forma que os rolamentos de esferas, criando separação entre as superfícies, "disse Deshmukh, que terminou seu pós-doutorado em Argonne em janeiro.

p A superlubricidade é uma propriedade altamente desejável. Considerando que quase um terço de cada tanque de combustível é gasto para superar o atrito em automóveis, um material que pode atingir a superlubricidade beneficiaria enormemente a indústria e os consumidores. Esses materiais também podem ajudar a aumentar a vida útil de inúmeros componentes mecânicos que se desgastam devido ao atrito incessante.

p Origens experimentais

p Antes do trabalho computacional, Cientistas de Argonne, Ali Erdemir, Anirudha Sumant, e Diana Berman estavam estudando o material híbrido em experimentos de laboratório no Laboratório de Tribologia de Argonne e no Centro de Materiais em nanoescala, um DOE Office of Science User Facility. A configuração experimental consistiu em pequenos remendos de grafeno (uma forma de folha única bidimensional de carbono puro) deslizando contra uma bola de aço revestida com DLC.

p A combinação de grafeno-DLC estava registrando um coeficiente de atrito muito baixo (uma razão que mede a força de atrito entre duas superfícies), mas os níveis de atrito estavam flutuando para cima e para baixo sem razão aparente. Os experimentalistas também ficaram intrigados ao descobrir que os ambientes úmidos estavam fazendo com que o coeficiente de atrito subisse a níveis quase 100 vezes maiores do que os medidos em ambientes secos.

p Para esclarecer esses comportamentos misteriosos, eles se voltaram para Sankaranarayanan e Deshmukh em busca de ajuda computacional. Usando Mira, o supercomputador IBM Blue Gene / Q de 10 petaflops do ALCF, os pesquisadores replicaram as condições experimentais com simulações de dinâmica molecular em grande escala com o objetivo de compreender os mecanismos subjacentes da superlubricidade em nível atomístico.

p Isso levou à descoberta dos nanoscrolls de grafeno, o que ajudou a preencher as lacunas. Os níveis de fricção flutuantes do material eram explicados pelo fato de que os próprios nanoscrolls não eram estáveis. Os pesquisadores observaram um padrão de repetição em que os nano-rolos ocos se formariam, e então desabar sob a pressão da carga.

p "O atrito estava caindo para valores muito baixos no momento em que a formação do rolo ocorria e então voltava para valores mais altos quando as manchas de grafeno estavam em um estado não rolado, "Deshmukh disse.

p Os cientistas da computação tiveram uma ideia para contornar esse problema. Eles tentaram incorporar partículas de nanodiamantes em suas simulações para ver se o material duro poderia ajudar a estabilizar os nanoscrolls e torná-los mais permanentes.

p Com certeza, as simulações foram bem-sucedidas. As manchas de grafeno rolaram espontaneamente em torno dos nanodiamantes, que segurou os pergaminhos no lugar e resultou em superlubricidade sustentada. Os resultados da simulação alimentaram um novo conjunto de experimentos com nanodiamantes que confirmaram o mesmo.

p "A beleza desta descoberta em particular é que fomos capazes de ver a superlubricidade sustentada na macroescala pela primeira vez, provar que este mecanismo pode ser usado em escalas de engenharia para aplicações do mundo real, "Sankaranarayanan disse." Este esforço colaborativo é um exemplo perfeito de como a computação pode ajudar no design e descoberta de novos materiais. "

p Não escorregadio quando molhado

p Infelizmente, a adição de nanodiamantes não resolveu a aversão do material à água. As simulações mostraram que a água suprime a formação de rolos, aumentando a adesão do grafeno à superfície.

p Embora isso limite muito as aplicações potenciais do material híbrido, sua capacidade de manter a superlubricidade em ambientes secos é um avanço significativo por si só.

p A equipe de pesquisa está em processo de obtenção de patente para o material híbrido, que poderia ser usado para aplicações em ambientes secos, como discos rígidos de computador, engrenagens da turbina eólica, e selos rotativos mecânicos para sistemas microeletromecânicos e nanoeletromecânicos.

p Para aumentar o apelo do material, existe um método de deposição relativamente simples e econômico, denominado fundição sob pressão. Esta técnica envolve a pulverização de soluções dos materiais em peças mecânicas móveis. Quando as soluções evaporam, deixaria o grafeno e os nanodiamantes de um lado de uma parte móvel, e carbono semelhante a diamante do outro lado.

p Contudo, o conhecimento adquirido com seu estudo é talvez ainda mais valioso, disse Deshmukh. Ele espera que o mecanismo de nanoscroll estimule esforços futuros para desenvolver materiais capazes de superlubricidade para uma ampla gama de aplicações mecânicas.

p Por sua vez, a equipe do Argonne continuará seus estudos computacionais para buscar maneiras de superar a barreira apresentada pela água.

p "Estamos explorando diferentes funcionalizações de superfície para ver se podemos incorporar algo hidrofóbico que mantenha a água fora, "Sankaranarayanan disse." Contanto que você possa repelir a água, os nanoscrolls de grafeno também poderiam funcionar em ambientes úmidos. "

p Simulando milhões de átomos

p A descoberta de nanoscroll inovadora da equipe não teria sido possível sem um supercomputador como Mira. A replicação da configuração experimental exigiu simular até 1,2 milhão de átomos para ambientes secos e até 10 milhões de átomos para ambientes úmidos.

p Os pesquisadores usaram o código LAMMPS (Large-scale Atomic / Molecular Massively Parallel Simulator) para realizar simulações de dinâmica molecular reativa computacionalmente exigentes.

p Com a ajuda de catalisadores ALCF, uma equipe de cientistas computacionais que trabalham diretamente com usuários ALCF, eles foram capazes de superar um gargalo de desempenho com o módulo ReaxFF do código, um pacote complementar necessário para modelar as reações químicas que ocorrem no sistema.

p Os catalisadores ALCF, em colaboração com pesquisadores da IBM, Laboratório Nacional Lawrence Berkeley, and Sandia National Laboratories, LAMMPS otimizado e sua implementação de ReaxFF adicionando encadeamento OpenMP, substituindo a comunicação ponto a ponto MPI por coletivos MPI em algoritmos-chave, e aproveitando o MPI I / O. Completamente, esses aprimoramentos permitiram que o código funcionasse duas vezes mais rápido do que antes.

p "Com as otimizações de código implementadas, fomos capazes de modelar os fenômenos em sistemas experimentais reais com mais precisão, "Deshmukh disse." As simulações em Mira nos mostraram algumas coisas incríveis que não podiam ser vistas em testes de laboratório. "

p E com o recente anúncio da Aurora, o supercomputador de próxima geração do ALCF, Sankaranarayanan está entusiasmado com o que esta linha de pesquisa pode tomar no futuro.

p "Dado o advento de recursos de computação como Aurora e a ampla gama de materiais bidimensionais e tipos de nanopartículas disponíveis, prevemos a criação de um genoma de lubrificante em algum momento no futuro, "ele disse." Ter um banco de dados de materiais como este nos permitiria selecionar e escolher materiais lubrificantes para condições operacionais específicas. "

p Os pesquisadores publicaram recentemente suas descobertas deste projeto em um Science Express .