Os cientistas de materiais estudam e entendem a física da interação dos átomos em sólidos para encontrar maneiras de melhorar os materiais que usamos em todos os aspectos da vida diária. A fronteira desta pesquisa não está em tentativa e erro, no entanto; para entender melhor e melhorar os materiais hoje, os pesquisadores devem ser capazes de estudar as propriedades dos materiais em escala atômica e sob condições extremas. Como resultado, os pesquisadores têm cada vez mais recorrido a simulações para complementar ou informar os experimentos sobre as propriedades e comportamentos dos materiais.

Uma equipe de pesquisadores liderada pelo Dr. Arkady Krasheninnikov, físico do Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf, colabora com experimentalistas para responder a questões fundamentais sobre propriedades de materiais, e a equipe relatou recentemente um avanço - os experimentalistas foram capazes de observar em tempo real o comportamento dos átomos de lítio quando colocados entre duas folhas de grafeno. Uma folha de grafeno é um material 2-D, como tem apenas um átomo de espessura, que tornou possível observar o movimento do átomo de lítio em experimentos de microscopia eletrônica de transmissão (TEM).

Com acesso a recursos de supercomputação no Gauss Center of Supercomputing (GCS), A equipe de Krasheninnikov usou o supercomputador Hazel Hen do Centro de Computação de Alto Desempenho de Stuttgart (HLRS) para simular, confirmar e expandir as descobertas experimentais da equipe. O trabalho colaborativo foi publicado recentemente em Natureza .

"Os materiais bidimensionais exibem propriedades úteis e emocionantes, e pode ser usado para muitos aplicativos, não apenas como um suporte em TEM, "Krasheninnikov diz." Essencialmente, Os materiais 2-D estão na vanguarda da pesquisa de materiais. Existem provavelmente cerca de alguns milhares desses materiais, e cerca de 50 foram realmente feitos. "

Sob o microscópio

Para entender melhor os materiais 2-D experimentalmente, os pesquisadores usam rotineiramente o TEM. O método permite que eles suspendam pequenas, pedaços finos de um material e passam um feixe de elétrons de alta energia sobre eles, em última análise, criando uma imagem ampliada do material que os pesquisadores podem estudar, muito parecido com um projetor de cinema pega imagens de um rolo e as projeta em uma tela maior. Com esta visão de um material, experimentalistas podem mapear e estimar melhor as posições e arranjos dos átomos.

O feixe de alta energia pode fazer mais do que apenas ajudar os pesquisadores a observar os materiais, embora - também seja uma ferramenta para estudar as propriedades eletrônicas de materiais 2-D. Além disso, os pesquisadores podem usar os elétrons de alta energia do TEM para eliminar átomos individuais de um material com alta precisão para ver como o comportamento do material muda com base na mudança estrutural.

Recentemente, experimentalistas do Instituto Max Planck para Pesquisa de Estado Sólido, Stuttgart e a Universidade de Ulm queriam entender melhor como as partículas de lítio interagem entre duas folhas de grafeno da espessura de um átomo. Melhor compreensão da intercalação de lítio, ou colocar lítio entre as camadas de outro material (neste caso, grafeno), ajuda os pesquisadores a desenvolver melhores tecnologias de bateria. Experimentalistas obtiveram dados do TEM e pediram a Krasheninnikov e seus colaboradores para racionalizar o experimento usando simulação.

As simulações permitem que os pesquisadores vejam a estrutura atômica de um material de uma variedade de ângulos diferentes, e também podem acelerar a abordagem de tentativa e erro para projetar novos materiais puramente por meio de experimentos. "Simulações não podem fazer o trabalho completo, mas eles podem realmente limitar o número de variantes possíveis, e mostrar a direção que caminho seguir, "Krasheninnikov diz." Simulações economizam dinheiro para pessoas que trabalham em pesquisa fundamental e indústria, e como resultado, a modelagem por computador está se tornando cada vez mais popular. "

Nesse caso, Krasheninnikov e seus colaboradores descobriram que as coordenadas atômicas dos experimentalistas, ou as posições das partículas no material, não seria estável, o que significa que o material desafiaria as leis da mecânica quântica. Usando dados de simulação, Krasheninnikov e seus colaboradores sugeriram uma estrutura atômica diferente, e quando a equipe refez seu experimento, encontrou uma combinação perfeita com a simulação.

"Às vezes você realmente não precisa de alta teoria para entender a estrutura atômica com base em resultados experimentais, mas outras vezes é realmente impossível entender a estrutura sem abordagens computacionais precisas que vão de mãos dadas com o experimento, "Krasheninnikov diz.

Pela primeira vez, os experimentalistas observaram em tempo real como os átomos de lítio se comportam quando colocados entre duas folhas de grafeno, e com a ajuda de simulações, ganhou insights sobre como os átomos foram organizados. Foi anteriormente assumido que, em tal arranjo, o lítio seria estruturado como uma única camada atômica, mas a simulação mostrou que o lítio pode formar bicamadas ou tricamadas, pelo menos em grafeno de duas camadas, levando os pesquisadores a buscar novas maneiras de melhorar a eficiência da bateria.

A equipe efetivamente executou simulações de primeiros princípios de 1, Sistemas de 000 átomos ao longo de períodos de tempo para observar interações materiais de curto prazo (escala de tempo de nanossegundos). Contagens de núcleos maiores em supercomputadores de próxima geração permitirão aos pesquisadores incluir mais átomos em suas simulações, o que significa que eles podem modelar fatias mais realistas e significativas de um material em questão.

O maior desafio, de acordo com Krasheninnikov, relaciona-se a quanto tempo os pesquisadores podem simular interações materiais. Para estudar fenômenos que acontecem em longos períodos de tempo, como a forma como a tensão pode se formar e propagar uma rachadura no metal, por exemplo, os pesquisadores precisam ser capazes de simular minutos ou até horas para ver como o material muda. Dito isto, os pesquisadores também precisam realizar etapas de tempo extremamente pequenas em suas simulações para modelar com precisão as interações atômicas ultrarrápidas. O simples uso de mais núcleos de computador permite que os pesquisadores façam cálculos para sistemas maiores com mais rapidez, mas não pode fazer com que cada passo de tempo vá mais rápido se um certo limite de paralelização for atingido.

Romper esse impasse exigirá que os pesquisadores retrabalhem os algoritmos para calcular com mais eficiência cada etapa de tempo em um grande número de núcleos. Krasheninnikov também indicou que desenvolver códigos baseados em computação quântica pode permitir simulações capazes de observar fenômenos materiais que acontecem por longos períodos de tempo - os computadores quânticos podem ser perfeitos para simular fenômenos quânticos. Independentemente da direção que os pesquisadores tomem, Krasheninnikov observou que o acesso a recursos de supercomputação por meio do GCS e do PRACE permite que ele e sua equipe tenham um progresso contínuo. "Nossa equipe não pode fazer boas pesquisas sem bons recursos de computação, " ele disse.