Roadrunner supercomputer simulerer materialefejl i nanoskala

Meget små ledninger, kaldet nanotråde, lavet af metaller som sølv og guld, kan spille en afgørende rolle som elektriske eller mekaniske kontakter i udviklingen af ​​fremtidens ultrasmå nanoenheder.

At få nanoenheder til at fungere vil kræve en dyb forståelse af, hvordan disse og andre nanostrukturer kan konstrueres og fremstilles samt deres resulterende styrker og svagheder. Hvordan mekaniske egenskaber ændrer sig på nanoskala er af fundamental interesse og kan have implikationer for en række forskellige nanostrukturer og nanoenheder.

En væsentlig begrænsende faktor for denne forståelse har været, at eksperimenter til at teste, hvordan nanotråde deformeres, er mange gange langsommere, end computersimuleringer kan gå, hvilket resulterer i mere usikkerhed i simuleringsforudsigelserne, end forskerne kunne tænke sig.

"Simuleringer af molekylær dynamik har eksisteret i lang tid, " sagde Arthur Voter fra Theoretical Division ved Los Alamos National Laboratory. "Men simuleringerne har aldrig før været i stand til at efterligne den atomistiske trækstyrke af nanotråde på tidsskalaer, der endda kommer tæt på den eksperimentelle virkelighed."

Ved at bruge metoden "parallel-replika dynamik" til at nå lange tidsskalaer, som Voter udviklede, medlemmer af Voter's team tilpassede deres computerkode til at udnytte Roadrunner supercomputerens hybridarkitektur, giver dem mulighed for at udføre den første simulering nogensinde af en strækkende sølv nanotråd over en periode på et millisekund, eller en tusindedel af et sekund, en tid, der nærmer sig det, der kan testes eksperimentelt.

"Større supercomputere har gjort det muligt at udføre simuleringer på større og større systemer, men de har ikke hjulpet meget med at nå længere tider -- det bedste, vi kan gøre, er stadig omkring en milliontedel af et sekund. Imidlertid, med parallel-replikalgoritmen, vi kan bruge det store antal processorer til at 'parallisere' tid, " sagde vælgeren. "Roadrunner er ideel til denne algoritme, så nu kan vi lave simuleringer tusindvis af gange længere end dette."

Med dette nye værktøj, forskere kan bedre studere, hvad nanotråde gør under stress. "På længere tidsskalaer ser vi interessante effekter. Når ledningerne strækkes langsommere, deres adfærdsændringer -- deformations- og fejlmekanismerne er meget anderledes end hvad vi har set på kortere tidsskalaer, " sagde vælgeren.

Gennem disse simuleringer, Vælger og hans team er ved at udvikle en bedre forståelse af, hvordan materialer opfører sig, når de reduceres til størrelsen af ​​en nanometer, eller en milliarddel af en meter. "På denne skala, bevægelsen af ​​kun et enkelt atom kan ændre materialets mekaniske eller elektriske egenskaber, " sagde vælgeren, "så det er virkelig nyttigt at have et værktøj, der kan give os fuld atomopløsning på realistiske tidsskalaer, næsten som om vi iagttager hvert atom, mens eksperimentet skrider frem."

Kilde:Los Alamos National Laboratory (nyheder:web)