Simuleringer fører til design af næsten friktionsfrit materiale

Argonne-forskere brugte Mira til at identificere og forbedre en ny mekanisme til at eliminere friktion, hvilket gav bidrag til udviklingen af ​​et hybridmateriale, der udviste supersmøreevne på makroskala for første gang. Argonne Leadership Computing Facility (ALCF) forskere hjalp med at aktivere de banebrydende simuleringer ved at overvinde en præstationsflaskehals, der fordoblede hastigheden af ​​holdets kode.

Mens man gennemgik simuleringsresultaterne af et lovende nyt smøremateriale, Argonne -forsker Sanket Deshmukh faldt over et fænomen, der aldrig var blevet observeret før.

"Jeg kan huske, at Sanket ringede til mig og sagde 'du skal komme herover og se det. Jeg vil vise dig noget virkelig fedt, '" sagde Subramanian Sankaranarayanan, Argonne computational nanoforsker, som ledede simuleringsarbejdet på Argonne Leadership Computing Facility (ALCF), en DOE Office of Science brugerfacilitet.

De blev overrasket over, hvad computersimuleringerne afslørede. Når smørematerialerne - grafen og diamantlignende kulstof (DLC) - gled mod hinanden, grafenen begyndte at rulle op for at danne hule cylindriske "ruller", der hjalp med praktisk talt at eliminere friktion. Disse såkaldte nanoscrolls repræsenterede en helt ny mekanisme for supersmøring, en tilstand, hvor friktionen i det væsentlige forsvinder.

"Nanoscrollerne bekæmper friktion på meget samme måde, som kuglelejer gør ved at skabe adskillelse mellem overflader, "sagde Deshmukh, som afsluttede sin postdoc-ansættelse i Argonne i januar.

Superlubricitet er en meget ønskværdig ejendom. I betragtning af, at næsten en tredjedel af hver brændstoftank bruges på at overvinde friktion i biler, et materiale, der kan opnå supersmøreevne, vil i høj grad gavne både industrien og forbrugerne. Sådanne materialer kan også være med til at forlænge levetiden for utallige mekaniske komponenter, der slides på grund af uophørlig friktion.

Eksperimentel oprindelse

Forud for beregningsarbejdet, Argonne -forskerne Ali Erdemir, Anirudha Sumant, og Diana Berman studerede hybridmaterialet i laboratorieforsøg på Argonne's Tribology Laboratory og Center for Nanoscale Materials, en DOE Office of Science brugerfacilitet. Den eksperimentelle opsætning bestod af små pletter af grafen (en todimensionel enkeltarksform af rent kulstof), der gled mod en DLC-belagt stålkugle.

Grafen-DLC-kombinationen registrerede en meget lav friktionskoefficient (et forhold, der måler friktionskraften mellem to overflader), men friktionsniveauerne svingede op og ned uden nogen åbenbar grund. Eksperimentalisterne var også forundrede over at finde ud af, at fugtige miljøer fik friktionskoefficienten til at skyde op til niveauer, der var næsten 100 gange større end målt i tørre omgivelser.

For at kaste lys over disse mystiske adfærd, de henvendte sig til Sankaranarayanan og Deshmukh for at få beregningsmæssig hjælp. Ved hjælp af Mira, ALCF's 10 petaflops IBM Blue Gene/Q supercomputer, forskerne replikerede de eksperimentelle forhold med simuleringer i stor skala af molekylær dynamik med det formål at forstå de underliggende mekanismer for superlubricitet på atomistisk niveau.

Dette førte til deres opdagelse af grafen -nanoskrollerne, som var med til at udfylde hullerne. Materialets fluktuerende friktionsniveauer blev forklaret med, at selve nanoscrollerne ikke var stabile. Forskerne observerede et gentaget mønster, hvor de hule nanoscrolls ville dannes, og derefter hule ind og falde sammen under belastningen.

"Friktionen faldt til meget lave værdier i det øjeblik, hvor scroll-dannelsen fandt sted, og så ville den hoppe tilbage til højere værdier, når grafenpletterne var i en ikke-rullet tilstand, " sagde Deshmukh.

Beregningsforskerne havde en idé til at overvinde dette problem. De forsøgte at inkorporere nanodiamantpartikler i deres simuleringer for at se, om det hårde materiale kunne hjælpe med at stabilisere nanoscrollerne og gøre dem mere permanente.

Helt sikkert, simuleringerne viste sig at være vellykkede. Grafenplasterne rullede spontant rundt om nanodiamanterne, som holdt rullerne på plads og resulterede i vedvarende supersmøring. Simuleringsresultaterne føres ind i et nyt sæt eksperimenter med nanodiamanter, der bekræftede det samme.

"Det skønne ved denne særlige opdagelse er, at vi var i stand til at se vedvarende supersmøring på makroskalaen for første gang, beviser, at denne mekanisme kan bruges på ingeniørskalaer til virkelige applikationer, "Sankaranarayanan sagde. "Denne samarbejdsindsats er et perfekt eksempel på, hvordan beregning kan hjælpe i design og opdagelse af nye materialer."

Ikke glat når det er vådt

Desværre, tilføjelsen af ​​nanodiamanter adresserede ikke materialets aversion mod vand. Simuleringerne viste, at vand undertrykker dannelsen af ​​ruller ved at øge vedhæftningen af ​​grafen til overfladen.

Selvom dette i høj grad begrænser hybridmaterialets potentielle anvendelser, dens evne til at opretholde superlubricitet i tørre miljøer er et betydeligt gennembrud i sig selv.

Forskerholdet er i gang med at søge patent på hybridmaterialet, som potentielt kan bruges til applikationer i tørre miljøer, såsom computerharddiske, vindmølle gear, og mekaniske roterende tætninger til mikroelektromekaniske og nanoelektromekaniske systemer.

Tilføjelse til materialets tiltrækningskraft er en relativt enkel og omkostningseffektiv deponeringsmetode kaldet drop casting. Denne teknik involverer sprøjtning af opløsninger af materialerne på bevægelige mekaniske dele. Når opløsningerne fordamper, det ville efterlade grafen og nanodiamanter på den ene side af en bevægelig del, og diamantlignende kulstof på den anden side.

Imidlertid, den viden, de har fået fra deres undersøgelse, er måske endnu mere værdifuld, sagde Deshmukh. Han forventer, at nanoscroll-mekanismen vil anspore fremtidige bestræbelser på at udvikle materialer, der er i stand til supersmøreevne til en bred vifte af mekaniske applikationer.

For deres del, Argonne-teamet vil fortsætte sine beregningsstudier for at lede efter måder at overvinde barrieren fra vand.

"Vi udforsker forskellige overfladefunktionaliseringer for at se, om vi kan inkorporere noget hydrofobt, der ville holde vand ude, " sagde Sankaranarayanan. "Så længe du kan afvise vand, graphene nanoscrolls kunne potentielt også arbejde i fugtige miljøer."

Simulerer millioner af atomer

Holdets banebrydende nanoskrollopdagelse havde ikke været mulig uden en supercomputer som Mira. Replikation af den eksperimentelle opsætning krævede simulering af op til 1,2 millioner atomer til tørre miljøer og op til 10 millioner atomer til fugtige miljøer.

Forskerne brugte LAMMPS (Large-scale Atomic/Molecular Massively Parallel Simulator) -koden til at udføre de beregningsmæssigt krævende reaktive molekylære dynamiksimuleringer.

Ved hjælp af ALCF katalysatorer, et team af beregningsforskere, der arbejder direkte med ALCF-brugere, de var i stand til at overvinde en flaskehals i ydeevnen med kodens ReaxFF-modul, en tilføjelsespakke, der var nødvendig for at modellere de kemiske reaktioner, der forekommer i systemet.

ALCF-katalysatorerne, i samarbejde med forskere fra IBM, Lawrence Berkeley National Laboratory, og Sandia National Laboratories, optimeret LAMMPS og dets implementering af ReaxFF ved at tilføje OpenMP threading, at erstatte MPI punkt-til-punkt kommunikation med MPI-kollektiver i nøglealgoritmer, og udnyttelse af MPI I/O. Alt i alt, disse forbedringer tillod koden at udføre dobbelt så hurtigt som før.

"Med kodeoptimeringerne på plads, vi var i stand til at modellere fænomenerne i rigtige eksperimentelle systemer mere præcist, " sagde Deshmukh. "Simuleringerne på Mira viste os nogle fantastiske ting, som ikke kunne ses i laboratorietest."

Og med den nylige annoncering af Aurora, ALCF's næste generations supercomputer, Sankaranarayanan er spændt på, hvor denne forskningslinje kan gå hen i fremtiden.

"I betragtning af fremkomsten af ​​computerressourcer som Aurora og det brede spektrum af de tilgængelige todimensionelle materialer og nanopartikeltyper, vi forestiller os skabelsen af ​​et smøremiddelgenom på et tidspunkt i fremtiden, " sagde han. "At have en materialedatabase som denne ville give os mulighed for at vælge og vrage smøremiddelmaterialer til specifikke driftsforhold."

Forskerne har for nylig offentliggjort deres resultater fra dette projekt i en Science Express .