Forskere skyder efter succes med simuleringer af laserpuls-materiale-interaktioner

Med fremkomsten af ​​laserteknologi i 1960'erne, materialeforskere fik et nyt værktøj til både at studere og ændre materialer. I dag, lasere giver forskere mulighed for at manipulere materialer på atomare og subatomare niveauer, fører til nye materialer og en lang række andre applikationer.

For eksempel, ved at kontrollere laserbølgelængden, intensitet, og pulsvarighed, forskere kan modificere metaller for at udvise nyttige nye egenskaber til en bred vifte af anvendelser. Indtil de seneste år, forskere stolede på eksperimentel trial and error for at opnå de ønskede egenskaber, men i en tid med supercomputing, eksperimenter kan udføres i et virtuelt laboratorium.

University of Virginia professor Leonid Zhigilei ledede et team, der lavede et sådant virtuelt laboratorium ved at bruge computerressourcer på Oak Ridge Leadership Computing Facility (OLCF), et US Department of Energy (DOE) Office of Science User Facility placeret ved DOE's Oak Ridge National Laboratory. Holdet brugte OLCFs Titan-supercomputer til at få dybere indsigt i laserinteraktioner med metaloverflader.

"Hurtig udvidelse af praktiske anvendelser af ultrakort puls laserbehandling, herunder konstruktion af nye materialer, kræver forståelse af grundlæggende mekanismer for laserinducerede strukturelle og fasetransformationer, " sagde Zhigilei. "Eksperimentel sondering af disse transformationer, som finder sted på picosekunds tidsskala (en trilliontedel af et sekund), er svært, dyrt, og ofte ikke engang muligt. At udføre 'virtuelle eksperimenter' på en supercomputer giver et attraktivt alternativ.

"I øvrigt, beregningsmæssige resultater kan guide fokuseret eksperimentel udforskning af de mest lovende bestrålingsregimer eller interessante fænomener forudsagt i simuleringerne, " han sagde.

Ved at bruge en kombination af virtuelle og virkelige eksperimenter, holdet er ved at få en grundlæggende forståelse af mekanismerne for materialeinteraktioner induceret af lasere.

Korte pulser, store simuleringer

Udtrykket laser er faktisk et akronym for lysforstærkning ved stimuleret emission af stråling. Det synlige lys, som vi ser i vores daglige liv, er elektromagnetisk stråling - energi - der falder inden for en bølgelængde, som vores øjne kan opfatte. Atomer skal være ophidsede for at frigive deres lys-emitterende energi, selvom, og lasere udnytter disse atomers energi til stråler.

Disse stråler er en samling af sammenhængende lysbølger. Mængden af ​​energi de bærer, imidlertid, kan variere meget, og både lavenergi- og højenergilasere har haft stor indflydelse på det moderne liv. Lavenergilasere hjalp med at indlede en æra med cd'er og dvd'er, hvorimod højenergilasere har forenklet utallige medicinske procedurer og muliggjort en bred vifte af materialedesignapplikationer. Sidstnævnte af disse kræver præcision og en detaljeret forståelse af, hvordan lasere interagerer med et materiale på nanoskalaen.

Zhigilei bemærkede, at hans team har fokuseret på at forstå de ultrahurtige faseovergange udløst af laserbestråling, eller de veje, materialet tager for at gå fra en tilstand af stof til en anden, såsom is, der smelter og bliver til vand.

Hvis en varmekilde rammer en isterning, for eksempel, det begynder at smelte ved opvarmningspunktet. Varmen overføres derefter til de koldere områder bagved, smeltning af hele terningen i det væsentlige fra front til bagside. Den intense energi af lasere, selvom, gør det muligt for den samme isterning at smelte indefra eller smelte i forskellige områder samtidigt. I tilfælde af en isterning, hele det faste stof bliver i sidste ende til vand, men når forskere forsøger at katalogisere metalliske overfladeændringer på nanoskala, billedet bliver mere komplekst. At forstå detaljerne i disse faseovergange er afgørende for at forudsige materialeegenskaber, der kan være af interesse for praktiske anvendelser.

Zhigileis team bruger supercomputere til at simulere disse fasetransformationer på atomare skalaer. For at skabe meningsfulde simuleringer, selvom, holdet skal simulere millioner eller, i nogle tilfælde, milliarder af atomer. De kan derefter se, hvordan atomer bevæger sig over en sekvens af meget korte øjeblikke i tiden kaldet tidstrin. Ved at køre lange simuleringer bestående af millioner af tidstrin, forskere kan være i stand til at observere alle de processer, der sker under en laser-metal-interaktion i løbet af en samlet tid på flere nanosekunder (hvert nanosekund er en milliarddel af et sekund). Holdet kørte for nylig en 2,8 milliarder atom-simulering af sølv i 3,2 nanosekunder, giver den mulighed for for første gang at sammenligne den frosne overflades morfologi - dens overfladestruktur - med eksperimentelle data.

Nye nanostrukturer fra metalmorfologi

Lasere kan gennemsyre metaller med mange nye egenskaber. En måde at gøre dette på er at bruge laserablation, eller processen med selektiv fjernelse af små mængder materiale, ændrer således overflademorfologien og mikrostrukturen. Selvom det ofte er usynligt for det menneskelige øje, denne proces kan foretage store ændringer i et metals egenskaber. Laserablation bestråler overfladen af ​​metal på en hurtig, voldelig interaktion, skabe meget små eksplosioner af partikler, der fjernes fra materialet. Når metallet afkøles, det udviser nye egenskaber, afhængig af processen.

Ingeniører kan bruge lasere til at påvirke, hvordan en metaloverflade interagerer med vand - hvilket tvinger vand til at rulle af overfladen i en bestemt retning, for eksempel. Forskere kan skabe sorte overflader på metaller uden at bruge maling eller andre syntetiske materialer. Korte laserimpulser kan også lokalt ændre hårdheden af ​​metaller; for øget fleksibilitet, ingeniører kan lave en hård ydre skal af en metalprøve, mens de holder indersiden blødere.

I mange tilfælde, metalforarbejdning sker i et vakuum, således at ingeniører kan forhindre forurenende stoffer i at komme ind i det forarbejdede materiale. Selvom Zhigilei-teamet primært fokuserede på at simulere metal-laser-interaktioner i et vakuum, regnetiden tildelt gennem Innovative and Novel Computational Impact on Theory and Experiment (INCITE)-programmet gjorde det muligt for teamet at simulere disse processer i mere komplekse scenarier, såvel. "Laserablation i væsker, i særdeleshed, bruges aktivt til generering af rene kolloide nanopartikler [nanopartikler, der er uopløselige og jævnt fordelt i et opløsningsmiddel] med unikke former og funktionaliteter, der er egnede til anvendelser inden for forskellige områder, herunder biomedicin, kemisk katalyse, og plasmonik, " sagde teammedlem og universitetsstuderende Cheng-Yu Shih.

"Mens, eksperimentelt, det flydende miljø har vist sig at påvirke nanopartikelstørrelsesfordelingen og mikrostrukturen af ​​lasermodificerede overflader stærkt, de fysiske mekanismer ved laseroverflademodifikation og ablation i væsker er stadig dårligt forstået. Interaktionen mellem ablationsfanen [en sky af metaldamp og små dråber udstødt fra det bestrålede mål] med det flydende miljø tilføjer et ekstra lag af kompleksitet til laserablationen. Atomistiske simuleringer hjælper med at kaste lys over den indledende, meget kritisk stadium af ablationsfane og væskeinteraktion og forudsige de efterfølgende nanopartikeldannelsesmekanismer på atomniveau. Med adgang til INCITE-ressourcerne, det bliver muligt at løse det udfordrende problem med atomistisk modellering af nanopartikelgenerering ved laserablation i væsker, " fortsatte Shih.

Holdets evne til at udvide sine simuleringer kom fra at udstyre sin kode til at bruge acceleratorer som Titans GPU'er. I løbet af sit INCITE-projekt, holdet arbejdede sammen med OLCFs videnskabelige databehandlingsforbindelse Mark Berrill og OLCFs brugersupportpersonale for at forbedre hybridkodeydeevnen.

Som resultat, holdet var i stand til at opnå en syvdobbelt fremskyndelse i forhold til kun CPU-metoder. Disse speedups hjalp holdet med at løbe større, mere komplekse simuleringer og udvide undersøgelsen til simuleringer af metalbearbejdning uden for et vakuum. Ud over, OLCF-medarbejdere hjalp teamet med at optimere sine koders I/O-ydeevne ved at implementere det Adaptive I/O System (ADIOS) middleware i koden.

Holdet arbejdede også sammen med OLCF-datamatiker Benjamin Hernandez for at hjælpe med visualisering af atomkonfigurationer, der består af milliarder af atomer.

Holdet tilskriver en række forskellige beregningsressourcer til dets succes. "Med en meget optimeret computerkode, der kører parallelt på tusindvis af computerknudepunkter og fuldt ud udnytter mulighederne i moderne computerteknologi, herunder lav latenstid og høj båndbredde sammenkoblinger mellem noderne og højtydende GPU-acceleratorer, det er nu muligt at løse de mest ambitiøse og utroligt udfordrende beregningsproblemer inden for vores felt, " sagde teammedlem og universitetsstuderende Maxim Shugaev.

På vej ind i det næste år med INCITE-prisen, holdet planlægger at fokusere på laser-metal-interaktioner i væsker for at få et komplet billede af, hvordan overfladespænding, kritisk temperatur, tryk, og forskellige miljøer styrer metaloverflademorfologi og mikrostruktur.