Forskere fortsætter med at forfine grafenproduktionen ved hjælp af HPC

Grafen kan være blandt de mest spændende videnskabelige opdagelser i det sidste århundrede. Selvom det er slående velkendt for os - betragtes grafen som en allotrop af kulstof, hvilket betyder, at det i det væsentlige er det samme stof som grafit, men i en anden atomstruktur - grafen åbnede også en ny verden af ​​muligheder for at designe og bygge nye teknologier.

Materialet er todimensionelt, hvilket betyder, at hvert "ark" af grafen kun er 1 atom tykt, men dens bindinger gør den lige så stærk som nogle af verdens hårdeste metallegeringer, mens den forbliver let og fleksibel. denne værdifulde, en unik blanding af egenskaber har vakt interesse hos forskere fra en bred vifte af felter, fører til forskning i brug af grafen til næste generations elektronik, nye belægninger på industrielle instrumenter og værktøjer, og nye biomedicinske teknologier.

Det er måske grafenets enorme potentiale, der derfor har forårsaget en af ​​dets største udfordringer - grafen er svært at producere i store mængder, og efterspørgslen efter materialet vokser konstant. Nyere forskning tyder på, at brug af en flydende kobberkatalysator kan være en hurtig, effektiv måde at fremstille grafen på, men forskere har kun en begrænset forståelse af molekylære interaktioner, der sker under disse kort, kaotiske øjeblikke, der fører til grafendannelse, hvilket betyder, at de endnu ikke kan bruge metoden til pålideligt at producere fejlfri grafenark.

For at løse disse udfordringer og hjælpe med at udvikle metoder til hurtigere grafenproduktion, et team af forskere ved det tekniske universitet i München (TUM) har brugt JUWELS og SuperMUC-NG high-performance computing (HPC) systemer på Jülich Supercomputing Center (JSC) og Leibniz Supercomputing Center (LRZ) til at køre høj opløsning simuleringer af grafendannelse på flydende kobber.

Et vindue ind i eksperimentet

Grafens tiltrækningskraft stammer primært fra materialets perfekt ensartede krystalstruktur, hvilket betyder, at fremstilling af grafen med urenheder er spildt indsats. Til laboratorieindstillinger eller omstændigheder, hvor kun en lille mængde grafen er nødvendig, forskere kan placere et stykke scotch tape på en grafitkrystal og "skrælle" atomlag af grafitten væk ved hjælp af en teknik, der ligner, hvordan man ville bruge tape eller et andet klæbemiddel til at fjerne dyrehår fra tøj. Selvom dette pålideligt producerer fejlfri grafenlag, processen er langsom og upraktisk til at skabe grafen til store applikationer.

Industrien kræver metoder, der pålideligt kan producere grafen af ​​høj kvalitet billigere og hurtigere. En af de mere lovende metoder, der undersøges, involverer at bruge en flydende metalkatalysator til at lette selvsamlingen af ​​kulstofatomer fra molekylære forstadier til et enkelt grafenark, der vokser oven på det flydende metal. Mens væsken giver mulighed for at opskalere grafenproduktionen effektivt, det introducerer også en række komplikationer, såsom de høje temperaturer, der kræves for at smelte de typiske anvendte metaller, såsom kobber.

Når man designer nye materialer, forskere bruger eksperimenter til at se, hvordan atomer interagerer under en række forskellige forhold. Mens teknologiske fremskridt har åbnet op for nye måder at få indsigt i adfærd på atomare skala selv under ekstreme forhold såsom meget høje temperaturer, eksperimentelle teknikker tillader ikke altid forskere at observere de ultrahurtige reaktioner, der letter de korrekte ændringer af et materiales atomare struktur (eller hvilke aspekter af reaktionen, der kan have indført urenheder). Det er her computersimuleringer kan være til hjælp, imidlertid, simulering af adfærden af ​​et dynamisk system såsom en væske er ikke uden sit eget sæt af komplikationer.

"Problemet med at beskrive noget som dette er, at du skal anvende molekylær dynamik (MD) simuleringer for at få den rigtige prøvetagning, sagde Andersen. Så selvfølgelig, der er systemstørrelsen - du skal have et stort nok system til nøjagtigt at simulere væskens adfærd." I modsætning til eksperimenter, molekylær dynamik-simuleringer giver forskere mulighed for at se på begivenheder, der sker på atomær skala fra en række forskellige vinkler eller sætte simuleringen på pause for at fokusere på forskellige aspekter.

Mens MD-simuleringer giver forskere indsigt i bevægelsen af ​​individuelle atomer og kemiske reaktioner, som ikke kunne observeres under eksperimenter, de har deres egne udfordringer. Den vigtigste blandt dem er kompromiset mellem nøjagtighed og omkostninger - når man stoler på nøjagtige ab initio-metoder til at drive MD-simuleringerne, det er ekstremt beregningsmæssigt dyrt at få simuleringer, der er store nok og varer længe nok til nøjagtigt at modellere disse reaktioner på en meningsfuld måde.

Andersen og hendes kolleger brugte ca. 500 kerner på JUWELS i perioder, der strækker sig over mere end en måned for de seneste simuleringer. På trods af den massive beregningsmæssige indsats, holdet kunne stadig kun simulere omkring 1, 500 atomer over picosekunders tid. Selvom det kan lyde som beskedne tal, disse simuleringer var blandt de største udført af ab initio MD-simuleringer af grafen på flydende kobber. Holdet bruger disse meget nøjagtige simuleringer til at hjælpe med at udvikle billigere metoder til at drive MD-simuleringerne, så det bliver muligt at simulere større systemer og længere tidsskalaer uden at gå på kompromis med nøjagtigheden.

Styrker led i kæden

Holdet offentliggjorde sit rekordstore simuleringsarbejde i Journal of Chemical Physics , brugte derefter disse simuleringer til at sammenligne med eksperimentelle data opnået i deres seneste papir, som dukkede op i ACS Nano .

Andersen indikerede, at den nuværende generation af supercomputere, såsom JUWELS og SuperMUC-NG, gjorde det muligt for holdet at køre sin simulering. Næste generations maskiner, imidlertid, ville åbne op for endnu flere muligheder, da forskere hurtigere kunne simulere større antal eller systemer over længere perioder.

Andersen fik sin ph.d. i 2014, og indikerede, at grafenforskningen er eksploderet i samme periode. "Det er fascinerende, at materialet er et så nyligt forskningsfokus - det er næsten indkapslet i min egen videnskabelige karriere, at folk har set nøje på det, " sagde hun. På trods af behovet for mere forskning i at bruge flydende katalysatorer til at producere grafen, Andersen indikerede, at den tostrengede tilgang med at bruge både HPC og eksperiment ville være afgørende for at fremme grafens udvikling og, på tur, brug i kommercielle og industrielle applikationer. "I denne undersøgelse, der er et stort samspil mellem teori og eksperiment, og jeg har været på begge sider af denne forskning, " hun sagde.