p O grafeno pode estar entre as descobertas científicas mais empolgantes do século passado. Embora seja extremamente familiar para nós - o grafeno é considerado um alótropo de carbono, o que significa que é essencialmente a mesma substância que o grafite, mas em uma estrutura atômica diferente - o grafeno também abriu um novo mundo de possibilidades para projetar e construir novas tecnologias. p O material é bidimensional, o que significa que cada "folha" de grafeno tem apenas 1 átomo de espessura, mas suas ligações o tornam tão forte quanto algumas das ligas de metal mais duras do mundo, enquanto permanece leve e flexível. Este valioso, combinação única de propriedades despertou o interesse de cientistas de uma ampla gama de campos, levando a pesquisas sobre o uso de grafeno para eletrônicos de última geração, novos revestimentos em ferramentas e instrumentos industriais, e novas tecnologias biomédicas.

p Talvez seja o imenso potencial do grafeno que, consequentemente, causou um de seus maiores desafios - o grafeno é difícil de produzir em grandes volumes, e a demanda pelo material está crescendo continuamente. Pesquisas recentes indicam que o uso de um catalisador de cobre líquido pode ser um processo rápido, maneira eficiente de produzir grafeno, mas os pesquisadores têm apenas uma compreensão limitada das interações moleculares que acontecem durante essas breves, momentos caóticos que levam à formação do grafeno, o que significa que eles ainda não podem usar o método para produzir folhas de grafeno perfeitas de forma confiável.

p A fim de enfrentar esses desafios e ajudar a desenvolver métodos para produção mais rápida de grafeno, uma equipe de pesquisadores da Universidade Técnica de Munique (TUM) tem usado os sistemas de computação de alto desempenho (HPC) JUWELS e SuperMUC-NG no Jülich Supercomputing Center (JSC) e no Leibniz Supercomputing Center (LRZ) para operar em alta resolução simulações de formação de grafeno em cobre líquido.

p Uma janela para o experimento

p O apelo do grafeno origina-se principalmente da estrutura de cristal perfeitamente uniforme do material, o que significa que produzir grafeno com impurezas é um esforço desperdiçado. Para configurações de laboratório ou circunstâncias em que apenas uma pequena quantidade de grafeno é necessária, Os pesquisadores podem colocar um pedaço de fita adesiva em um cristal de grafite e "descascar" camadas atômicas da grafite usando uma técnica que lembra como se usaria fita adesiva ou outro adesivo para ajudar a remover pelos de animais de estimação das roupas. Embora isso produza de forma confiável camadas de grafeno perfeitas, o processo é lento e impraticável para a criação de grafeno para aplicações em grande escala.

p A indústria requer métodos que possam produzir grafeno de alta qualidade de forma confiável, mais barato e mais rápido. Um dos métodos mais promissores que estão sendo investigados envolve o uso de um catalisador de metal líquido para facilitar a automontagem de átomos de carbono de precursores moleculares em uma única folha de grafeno crescendo no topo do metal líquido. Embora o líquido ofereça a capacidade de aumentar a produção de grafeno de forma eficiente, também apresenta uma série de complicações, como as altas temperaturas necessárias para derreter os metais típicos usados, como cobre.

p Ao projetar novos materiais, pesquisadores usam experimentos para ver como os átomos interagem sob uma variedade de condições. Embora os avanços tecnológicos abram novas maneiras de obter informações sobre o comportamento em escala atômica, mesmo sob condições extremas, como temperaturas muito altas, As técnicas experimentais nem sempre permitem que os pesquisadores observem as reações ultrarrápidas que facilitam as mudanças corretas na estrutura atômica de um material (ou quais aspectos da reação podem ter introduzido impurezas). É aqui que as simulações de computador podem ajudar, Contudo, simular o comportamento de um sistema dinâmico, como um líquido, tem seu próprio conjunto de complicações.

p "O problema que descreve algo assim é que você precisa aplicar simulações de dinâmica molecular (MD) para obter a amostra certa, "Andersen disse." Então, claro, há o tamanho do sistema - você precisa ter um sistema grande o suficiente para simular com precisão o comportamento do líquido. "Ao contrário dos experimentos, Simulações de dinâmica molecular oferecem aos pesquisadores a capacidade de olhar para eventos que acontecem na escala atômica de uma variedade de ângulos diferentes ou pausar a simulação para focar em diferentes aspectos.

p Embora as simulações de MD ofereçam aos pesquisadores insights sobre o movimento de átomos individuais e reações químicas que não puderam ser observadas durante os experimentos, eles têm seus próprios desafios. O principal deles é o compromisso entre precisão e custo - ao confiar em métodos ab initio precisos para conduzir as simulações MD, é extremamente caro do ponto de vista computacional obter simulações que sejam grandes o suficiente e durem o suficiente para modelar com precisão essas reações de uma forma significativa.

p Andersen e seus colegas usaram cerca de 2, 500 núcleos em JUWELS em períodos que se estendem por mais de um mês para as simulações recentes. Apesar do enorme esforço computacional, a equipe ainda podia simular cerca de 1, 500 átomos em picossegundos de tempo. Embora possam soar como números modestos, essas simulações estavam entre as maiores feitas de simulações ab initio MD de grafeno em cobre líquido. A equipe usa essas simulações altamente precisas para ajudar a desenvolver métodos mais baratos para conduzir as simulações MD, de modo que seja possível simular sistemas maiores e escalas de tempo mais longas sem comprometer a precisão.

p Fortalecimento de elos da cadeia

p A equipe publicou seu trabalho de simulação recorde no Journal of Chemical Physics , em seguida, usou essas simulações para comparar com os dados experimentais obtidos em seu artigo mais recente, que apareceu em ACS Nano .

p Andersen indicou que os supercomputadores da geração atual, como JUWELS e SuperMUC-NG, permitiu que a equipe executasse sua simulação. Máquinas de última geração, Contudo, abriria ainda mais possibilidades, já que os pesquisadores podem simular mais rapidamente números ou sistemas maiores por longos períodos de tempo.

p Andersen recebeu seu Ph.D. em 2014, e indicou que a pesquisa do grafeno explodiu durante o mesmo período. "É fascinante que o material seja um foco de pesquisa tão recente - está quase encapsulado em minha própria carreira científica que as pessoas o examinaram de perto, ", disse ela. Apesar da necessidade de mais pesquisas sobre o uso de catalisadores líquidos para produzir grafeno, Andersen indicou que a abordagem dupla de usar HPC e experimento seria essencial para o desenvolvimento do grafeno e, por sua vez, uso em aplicações comerciais e industriais. "Nesta pesquisa, há uma grande interação entre teoria e experimento, e eu estive em ambos os lados desta pesquisa, " ela disse.