Det virtuelle laboratorium

Supercomputere kan bruges til at simulere materialer i vidt forskellige skalaer, fra luftstrømmen forbi en flyvemaskines vinge ned til elektronernes bevægelse omkring individuelle atomer. Forskellige længde- og tidsskaladomæner giver forskellige niveauer af information, men man ved i øjeblikket kun lidt om, hvordan disse informationsniveauer er forbundet. Professor Peter Coveney fra University College London har stået i spidsen for et langsigtet program, der har til formål at forbinde skalaerne, relaterer atomers og molekylers adfærd til håndgribelige egenskaber på makroskalaen.

I slutningen af ​​1980'erne, forskere fra Toyota påviste, at ved at forstærke polymerer som nylon med ler på nanoskala, en betydelig forbedring af en lang række tekniske egenskaber kunne foretages. Kendt som ler-polymer nanokompositter, disse materialer har meget lav densitet, men er også seje og stærke - ideelle egenskaber til bygning af køretøjer.

Omfattende forskning i disse materialer har været i gang lige siden, og selvom der har været en vis succes med at finde nyttige nye kompositter, det har vist sig at være svært. De samme forskere, som gjorde den første opdagelse, da de arbejdede for Toyota, skrev for nylig om den relative knaphed på sådanne opdagelser siden deres gennembrud for næsten tredive år siden, med henvisning til den besværlige trial and error karakter af de krævede udforskende eksperimenter, men også en grundlæggende mangel på forståelse af, hvordan og hvorfor materialer som ler-polymer nanokompositter besidder så unormale egenskaber.

Professor Peter Coveney fra University College London, i samarbejde med sine kolleger Dr. James Suter og Dr. Derek Groen, har arbejdet på måder at forbinde forskellige repræsentationer af stof sammen, som han mener er det første skridt mod at fremskynde processen med at opdage nye og brugbare materialer. "Forestille, for eksempel, et materiale, der er brækket. På molekylært niveau, dette er vist som brydning af kemiske bindinger af elektroner, der bevæger sig mellem atomer, hvorimod manifestationen i større skala ville være brud på en komponent lavet af dette materiale. Dette er meget forskellige repræsentationer af den samme begivenhed, men begge er lige rigtige. At simulere denne begivenhed separat på forskellige skalaer er relativt let. Hvad der ikke er så let er at forbinde de to - at ekstrapolere et materiales egenskaber i makroskala fra dets kemiske sammensætning."

At skabe en beskrivelse af et materiale, der fungerer i alle skalaer uden at skulle injicere ad hoc-parametre på højere niveauer, er et afgørende skridt hen imod opdagelse af silicomaterialer. For at udføre "multiscale modellering", som det er kendt, parametrene på det laveste niveau skal være ekstremt præcise, og de mest kraftfulde computere er nødvendige for at køre simuleringerne. Men belønningen for at lykkes med denne opgave er stor; hvis man kan forudsige de nyttige fysiske egenskaber af et materiale ud fra dets molekylære struktur, så kan dyre og tidskrævende trial and error eksperimenter elimineres fra opdagelsesprocessen.

I februar 2015 tidsskriftet Advanced Materials udgav et papir af Suter, Groen og Coveney, der diskuterer egenskaberne af en række lerpolymer nanokompositter. Imidlertid, det er ikke de specifikke materialer, der gør papiret så interessant, men derimod de banebrydende metoder bag forskningen. I avisen, de beskriver en metode, der kan bruges til at beregne egenskaberne af lerpolymer nanokompositter ved hjælp af multiskala modellering. De eneste input, der er nødvendige for dette "virtuelle laboratorium", er kemisk sammensætning, molekylær struktur, og forarbejdningsbetingelser, og til gengæld giver den information, der stort set aldrig har været vist før i nogen form for modellering, endsige i et eksperiment.

"Ved at forbinde alle skalaerne sammen til en multiskalamodel, vi var i stand til at vise processen med polymerer, der trænger ind i lerlagene - hvordan det sker, og hvor lang tid det tager, " siger Coveney. "Ler eksisterer naturligt som stablede ark kaldet taktoider. Når du tilføjer en polymer, det vil bryde denne naturlige konfiguration - indkapsling, eksfoliering eller indskydning af stakkene. Vores simulering viste, at kompositten derefter arrangerer sig selv i en bestemt orientering, sådan, at materialeegenskaberne begynder at se meget anderledes ud, end man kunne forudsige ud fra en lineær kombination af lerets og polymerens egenskaber."

Artiklen blev anset for at være så vigtig af Advanced Materials, at high impact-tidsskriftet for første gang i hele sin historie udgav en udvidet feature, så metoderne bag arbejdet kunne forklares fuldt ud. "Evnen til at modellere og simulere egenskaberne af et materiale på denne måde har åbnet døren for at lave forudsigelser, der i høj grad kunne fremskynde mange videnskabelige opdagelsesprocesser, ikke kun inden for ler-polymer nanokompositter, " forklarer Coveney.

grafen, for eksempel, er et materiale, der længe har været udråbt som et moderne vidundermateriale, der med tiden vil revolutionere adskillige forskningsfelter. Imidlertid, at levere de praktiske anvendelser af grafen har vist sig vanskeligt, ikke mindst på grund af udfordringerne med at producere det i store nok mængder. Multiskalamodellering kunne bruges til at modellere den industrielle produktion af grafen ved at eksfoliere 2D-plader af grafen fra grafit - en proces, der ret ligner eksfoliering af lertactoider i produktionen af ​​ler-polymer nanokompositter.

Coveney og hans forskere har gjort udstrakt brug af Tier-0 PRACE supercomputere, inklusive 40,5 millioner kernetimer på JUGENE BlueGene/P på FZJ. "At udføre multiskala-simuleringer falder ind under domænet af, hvad vi kalder "heroiske computeropgaver", han siger. "Jeg tror personligt, at fremtiden for materialevidenskab ligger i at få en ordentlig forståelse af kompositter, og dette er meget afhængigt af vores modellers og simuleringers høje kvalitet. Tier-0 supercomputere, såsom dem, der leveres af PRACE, er absolut essentielle for at køre disse simuleringer i gennemførlige tidsperioder, og så succesen med vores arbejde og ethvert fremtidigt arbejde, der bruger vores metoder, afhænger af den adgang, som forskere har til disse værdifulde ressourcer."

På kort sigt, holdets metoder har potentiale til at fremskynde videnskabelig opdagelse og forståelse. I det lange løb, materialevidenskab vil blive ændret til det bedre, ved at eliminere en masse af de trial and error, der i øjeblikket plager udviklingen af ​​nyttige materialer.