Formen for smeltning i to dimensioner

Sneen falder om vinteren og smelter om foråret, men hvad driver faseændringen imellem?

Selvom smeltning er et velkendt fænomen, man møder i dagligdagen, spiller en rolle i mange industrielle og kommercielle processer, meget mangler at blive opdaget om denne transformation på et grundlæggende niveau.

I 2015, et team ledet af University of Michigan's Sharon Glotzer brugte højtydende computing ved Department of Energy's (DOE's) Oak Ridge National Laboratory til at studere smeltning i todimensionale (2-D) systemer, et problem, der kunne give indsigt i overfladeinteraktioner i materialer, der er vigtige for teknologier som solpaneler, samt ind i mekanismen bag tredimensionel smeltning. Teamet undersøgte, hvordan partikelform påvirker fysikken i en fast-til-væske-smelteovergang i to dimensioner.

Brug af Cray XK7 Titan supercomputer på Oak Ridge Leadership Computing Facility (OLCF), en DOE Office of Science brugerfacilitet, teamets arbejde afslørede, at partiklernes form og symmetri dramatisk kan påvirke smelteprocessen. Dette grundlæggende fund kan hjælpe vejledere forskere på jagt efter nanopartikler med ønskelige egenskaber til energiopplikationer.

For at løse problemet, Glotzers team havde brug for en supercomputer, der kunne simulere systemer på op til 1 million hårde polygoner, simple partikler brugt som stand-ins for atomer, lige fra trekanter til 14-sidede former. I modsætning til traditionelle molekylær dynamiksimuleringer, der forsøger at efterligne naturen, hårde polygonsimuleringer giver forskere et nedtonet miljø, hvor de kan evaluere formpåvirket fysik.

"Inden for vores simulerede 2-D miljø, vi fandt ud af, at smelteovergangen følger et af tre forskellige scenarier afhængigt af formen på systemernes polygoner, "University of Michigan forsker Joshua Anderson sagde." Især vi fandt ud af, at systemer, der består af sekskanter, perfekt følger en velkendt teori om 2-D-smeltning, noget, der ikke er beskrevet før nu. "

Skiftende formscenarier

I 3D-systemer såsom en udtynding istap, smeltning har form af en førsteordens faseovergang. Det betyder, at samlinger af molekyler inden for disse systemer findes i enten fast eller flydende form uden mellemting i nærvær af latent varme, den energi, der giver næring til en fast-til-væske faseændring. I 2-D systemer, såsom tyndfilmsmaterialer, der bruges i batterier og andre teknologier, smeltning kan være mere kompleks, undertiden udviser en mellemfase kendt som den hexatiske fase.

Den hexatiske fase, en tilstand karakteriseret som et halvvejs mellem et ordnet fast stof og en uordnet væske, blev først teoretiseret i 1970'erne af forskerne John Kosterlitz, David Thouless, Burt Halperin, David Nelson, og Peter Young. Fasen er et principielt træk ved KTHNY-teorien, en 2-D smelteteori fremsat af forskerne (og navngivet baseret på de første bogstaver i deres efternavne). I 2016 blev Kosterlitz og Thouless tildelt Nobelprisen i fysik, sammen med fysiker Duncan Haldane, for deres bidrag til 2-D materialeforskning.

På molekylært niveau, solid, hexatisk, og flydende systemer defineres ved arrangementet af deres atomer. I et krystallinsk faststof, to former for rækkefølge er til stede:translationel og orienterende. Oversættelsesorden beskriver de veldefinerede stier mellem atomer over afstande, som blokke i et omhyggeligt konstrueret Jenga -tårn. Orienterende orden beskriver den relationelle og klyngede rækkefølge, der deles mellem atomer og grupper af atomer over afstande. Tænk på det samme Jenga -tårn, der vendte skråt efter flere spillerunder. Tårnets generelle form forbliver, men dens rækkefølge er nu fragmenteret.

Den heksatiske fase har ingen translationel orden, men besidder orienteringsorden. (En væske har hverken translationel eller orienteringsorden, men udviser kort rækkefølge, hvilket betyder, at ethvert atom vil have et gennemsnitligt antal naboer i nærheden, men uden nogen forudsigelig rækkefølge.)

At begrænse tilstedeværelsen af ​​en hexatisk fase kræver en computer i lederklasse, der kan beregne store hårde partikelsystemer. Glotzers team fik adgang til OLCF's 27-petaflop Titan gennem programmet Innovative and Novel Computational Impact on Theory and Experiment (INCITE), kører sin GPU-accelererede HOOMD-blå kode for at maksimere tiden på maskinen.

På Titan, HOOMD-blue brugte 64 GPU'er til hver massivt parallel Monte Carlo-simulering af op til 1 million partikler. Forskere udforskede 11 forskellige formsystemer, anvende et eksternt tryk for at skubbe partiklerne sammen. Hvert system blev simuleret med 21 forskellige tætheder, med de laveste tætheder, der repræsenterer en flydende tilstand, og de højeste tætheder en fast tilstand.

Simuleringerne demonstrerede flere smeltescenarier, der hængte på polygonernes form. Systemer med polygoner på syv sider eller mere fulgte hårdt disks smelteadfærd, eller cirkler, udviser en kontinuerlig faseovergang fra den faste til den hexatiske fase og en førsteordens faseovergang fra den hexatiske til den flydende fase. En kontinuerlig faseovergang betyder et konstant skiftende område som reaktion på et ændret eksternt tryk. En førsteordens faseovergang er kendetegnet ved en diskontinuitet, hvor volumenet springer over faseovergangen som reaktion på det ændrede ydre tryk. Holdet fandt femkanter og firfoldede pentiller, uregelmæssige femkanter med to forskellige kantlængder, udviser en førsteordens fast-til-væske faseovergang.

Det mest betydningsfulde fund, imidlertid, stammer fra sekskantsystemer, som perfekt fulgte faseovergangen beskrevet af KTHNY-teorien. I dette scenario, partiklernes skift fra fast til hexatisk og hexatisk til væske i et perfekt kontinuerligt faseovergangsmønster.

”Det var faktisk lidt overraskende, at ingen andre har fundet ud af det indtil nu, " Anderson sagde, "fordi det virker naturligt, at sekskanten, med sine seks sider, og det bikagelignende sekskantede arrangement ville være et perfekt match til denne teori ", hvor den hexatiske fase generelt indeholder seksfoldig orienteringsorden.

Glotzers team, som for nylig modtog en INCITE -tildeling fra 2017, anvender nu sin computer-dygtighed i lederklasse til at tackle faseovergange i 3D. Teamet fokuserer på, hvordan væskepartikler krystalliserer til komplekse kolloider - blandinger, hvor partikler suspenderes gennem et andet stof. Almindelige eksempler på kolloider omfatter mælk, papir, tåge, og farvet glas.

"Vi planlægger at bruge Titan til at undersøge, hvordan kompleksitet kan opstå ved disse simple interaktioner, og for at gøre det skal vi faktisk se på, hvordan krystallerne vokser og studere kinetikken for, hvordan det sker, " sagde Anderson.