Identifikation af en ny, renere kilde til hvidt lys

Da tidlige mennesker opdagede, hvordan man udnytter ild, var de i stand til at skubbe tilbage mod det natlige mørke, der omsluttede dem. Med opfindelsen og den udbredte anvendelse af elektricitet blev det lettere at adskille varme fra lys, arbejde natten igennem og oplyse togvogne til motorveje. I de senere år har gamle former for generering af elektrisk lys, såsom halogenpærer, givet plads til mere energieffektive alternativer, hvilket yderligere har reduceret omkostningerne til at lysne vores hjem, arbejdspladser og liv generelt.

Desværre er generering af hvidt lys af nyere teknologier såsom lysdioder (LED'er) dog ikke ligetil og er ofte afhængige af en kategori af materialer kaldet "sjældne jordarters metaller", som er i stigende grad sjældne. Dette har for nylig fået forskere til at lede efter måder at producere hvidt lys mere bæredygtigt på. Forskere ved Giessen University, University of Marburg og Karlsruhe Institute of Technology har for nylig afsløret en ny klasse materiale kaldet et "klyngeglas", der viser et stort potentiale til at erstatte LED'er i mange applikationer.

"Vi er vidne til fødslen af ​​teknologi til generering af hvidt lys, der kan erstatte nuværende lyskilder. Den bringer alle de krav, som vores samfund efterspørger:tilgængelighed af ressourcer, bæredygtighed, biokompatibilitet," siger prof. dr. Simone Sanna, professor ved Giessen Universitet og ledende beregningsforsker på projektet.

"Mine kolleger fra de eksperimentelle videnskaber, som observerede denne uventede generering af hvidt lys, bad om teoretisk støtte. Clusterglas har en utrolig optisk respons, men vi forstår ikke hvorfor. Beregningsmetoder kan hjælpe med at forstå disse mekanismer. Dette er præcis den udfordring, som teoretikere ønsker at møde."

Sanna og hans samarbejdspartnere har vendt sig til kraften i high-performance computing (HPC) ved at bruge Hawk-supercomputeren på High-Performance Computing Center Stuttgart (HLRS) for bedre at forstå klyngeglas, og hvordan det kan tjene som næste generations lyskilde . De offentliggjorde deres resultater i Advanced Materials .

Klyd syn på klyngeglasdannelse

Hvis du ikke er materialeforsker eller kemiker, betyder ordet glas måske bare det klare, solide materiale i dine vinduer eller på dit middagsbord. Glas er faktisk en klasse af materialer, der betragtes som "amorfe faste stoffer." det vil sige, at de mangler et ordnet krystallinsk gitter, ofte på grund af en hurtig afkølingsproces. På atomniveau er deres bestanddele i en suspenderet, uordnet tilstand. I modsætning til krystalmaterialer, hvor partikler er ordnede og symmetriske over en lang molekylær afstand, gør brillernes uorden på molekylært niveau dem gode til at bøje, fragmentere eller reflektere lys.

Eksperimentalister fra universitetet i Marburg syntetiserede for nylig en speciel af glas kaldet et "klyngeglas". I modsætning til et traditionelt glas, der nærmest opfører sig som en væske frosset på plads, er klyngeglas, som navnet antyder, en samling af separate klynger af molekyler, der opfører sig som et pulver ved stuetemperatur. De genererer klart, klart, hvidt lys ved bestråling med infrarød stråling. Mens pulver ikke let kan bruges til at fremstille små, følsomme elektroniske komponenter, fandt forskerne en måde at omstøbe dem i glasform:"Når vi smelter pulveret, får vi et materiale, der har alle egenskaberne af et glas og kan indsætte enhver form, der er nødvendig for en specifik ansøgning," sagde Sanna.

Mens eksperimentelister var i stand til at syntetisere materialet og observere dets lysende egenskaber, henvendte gruppen sig til Sanna og HPC for bedre at forstå, hvordan klyngeglas opfører sig, som det gør. Sanna påpegede, at generering af hvidt lys ikke er en egenskab ved et enkelt molekyle i et system, men den kollektive adfærd hos en gruppe molekyler. At kortlægge disse molekylers interaktioner med hinanden og med deres omgivelser i en simulering betyder derfor, at forskerne både skal fange lysgenereringens storskalaadfærd og også observere, hvordan små atomare interaktioner påvirker systemet. Enhver af disse faktorer ville være beregningsmæssigt udfordrende. Modellering af disse processer i flere skalaer er dog kun muligt ved brug af førende HPC-ressourcer som Hawk.

Samarbejde mellem eksperimentalister og teoretikere er blevet stadig vigtigere inden for materialevidenskab, da det kan være langsomt og dyrt at syntetisere mange iterationer af et lignende materiale. Højtydende computing, indikerede Sanna, gør det meget hurtigere at identificere og teste materialer med nye optiske egenskaber. "Forholdet mellem teori og eksperiment er en kontinuerlig løkke. Vi kan forudsige de optiske egenskaber af et materiale, der blev syntetiseret af vores kemikerkolleger, og bruge disse beregninger til at verificere og bedre forstå materialets egenskaber," sagde Sanna. "Vi kan også designe nye materialer på en computer, der giver information, som kemikere kan bruge til at fokusere på at syntetisere forbindelser, der har størst sandsynlighed for at være nyttige. På denne måde inspirerer vores modeller til syntetisering af nye forbindelser med skræddersyede optiske egenskaber"

I tilfældet med klyngeglas resulterede denne tilgang i et eksperiment, der blev verificeret ved simulering, hvor modellering hjalp med at vise forskerne sammenhængen mellem de observerede optiske egenskaber og den molekylære struktur af deres klyngeglasmateriale og kan nu gå videre som en kandidat at erstatte lyskilder, der er stærkt afhængige af sjældne jordarters metaller.

HPC fremskynder F&U-tidslinjer

HPC spiller en vigtig rolle i at hjælpe forskere med at fremskynde tidslinjen mellem ny opdagelse og nyt produkt eller teknologi. Sanna forklarede, at HPC skar drastisk ned på tiden for at få en bedre forståelse af klyngeglas. "Vi bruger meget tid på at simulere, men det er meget mindre end at karakterisere disse materialer i virkeligheden," sagde han. "De klynger, vi modellerer, har en diamantformet kerne med 4 ligander (molekylære kæder) knyttet til sig. Disse ligander kan laves af en række ting, så det er tidskrævende at gøre dette i et eksperiment."

Sanna påpegede, at holdet stadig er begrænset af, hvor længe de kan udføre individuelle løb til deres simuleringer. Mange forskningsprojekter om supercomputere kan opdele et komplekst system i mange små dele og køre beregninger for hver del parallelt. Sannas team skal være særligt opmærksomme på langdistance-partikelinteraktioner på tværs af store systemer, så de er begrænset af, hvor meget de kan dele deres simulering på tværs af computerknudepunkter. Han indikerede, at at have regelmæssig adgang til længere køretider - mere end en dag i træk på en supercomputer - ville give holdet mulighed for at arbejde hurtigere.

I igangværende undersøgelser af klyngeglas håber Sannas team grundigt at forstå oprindelsen af ​​dets lysgenererende egenskaber. Dette kunne hjælpe med at identificere yderligere nye materialer og bestemme, hvordan man bedst anvender klyngeglas i lysgenerering.

Sanna forklarede, at HPC-ressourcer hos HLRS var essentielle for hans teams grundlæggende videnskabelige forskning, som han håber vil føre til nye produkter, der kan gavne samfundet. "Den vigtigste beregningsmæssige præstation i denne tidsskriftsartikel var kun mulig gennem vores adgang til maskinen i Stuttgart," sagde han. + Udforsk yderligere

Ny glaskeramik udsender lys under mekanisk belastning