Рассматривая результаты моделирования нового многообещающего смазочного материала, исследователь из Аргонны Санкет Дешмук наткнулся на явление, которое раньше никогда не наблюдалось.
"Я помню, как Санкет позвонил мне и сказал:" Ты должен прийти сюда и посмотреть это.
Я хочу показать вам кое-что действительно крутое », — сказал Субраманиан Шанкаранараянан, аргоннский специалист по вычислительным нанотехнологиям, который руководил работой по моделированию в Argonne Leadership Computing Facility (ALCF), Управлении науки Министерства энергетики США.
Они были поражены тем, что показали компьютерные симуляции.
Когда смазочные материалы — графен и алмазоподобный углерод (DLC) — скользили друг относительно друга, графен начал сворачиваться, образуя полые цилиндрические «завитки», которые помогли практически устранить трение. Эти так называемые нано-спирали представляют собой совершенно новый механизм сверхсмазки, состояние, при котором трение практически исчезает.
«Наноспирали борются с трением во многом так же, как шариковые подшипники, создавая разделение между поверхностями», — сказал Дешмук, окончивший докторскую должность в Аргонне в январе.
Сверхсмазывающая способность — очень желательное свойство. Учитывая, что почти треть каждого топливного бака расходуется на преодоление трения в автомобилях, материал, обладающий сверхсмазкой, принесет огромную пользу как промышленности, так и потребителям.
Такие материалы также могут помочь увеличить срок службы бесчисленных механических компонентов, которые изнашиваются из-за непрерывного трения.
Экспериментальное происхождение
Перед вычислительной работой аргоннские ученые Али Эрдемир, Анирудха Сумант и Диана Берман изучали гибридный материал в лабораторных экспериментах в лаборатории трибологии Аргонна и Центре наноразмерных материалов, учреждении для пользователей Управления науки Министерства энергетики США. Экспериментальная установка состояла из небольших участков графена (двухмерная однослойная форма чистого углерода), скользящих по стальному шарику, покрытому алмазоподобным углеродом.
Комбинация графен-DLC регистрировала очень низкий коэффициент трения (отношение, которое измеряет силу трения между двумя поверхностями), но уровни трения колебались вверх и вниз без видимой причины. Экспериментаторы также были озадачены, обнаружив, что влажная среда приводит к тому, что коэффициент трения резко возрастает до уровней, которые почти в 100 раз больше, чем измеренные в сухой среде.
Чтобы пролить свет на это загадочное поведение, они обратились к Шанкаранараянану и Дешмуку за помощью в вычислениях.
Используя Mira, 10-петафлопсный суперкомпьютер IBM Blue Gene / Q компании ALCF, исследователи воспроизвели экспериментальные условия с помощью крупномасштабного молекулярно-динамического моделирования, направленного на понимание основных механизмов суперсмазки на атомистическом уровне.
Это привело к открытию графеновых наноскроллей, которые помогли заполнить пробелы. Колеблющиеся уровни трения материала объяснялись тем, что сами нано-свитки не были стабильными.
Исследователи наблюдали повторяющуюся картину, в которой полые нано-свитки формировались, а затем прогибались и разрушались под давлением груза.
«Трение снижалось до очень низких значений в тот момент, когда происходило формирование свитка, а затем оно возвращалось к более высоким значениям, когда графеновые пятна находились в не скрученном состоянии», — сказал Дешмук.
У ученых-вычислителей возникла идея решить эту проблему.
Они попытались включить частицы наноалмаза в свои модели, чтобы увидеть, может ли твердый материал помочь стабилизировать наноскручения и сделать их более прочными.
Конечно, моделирование оказалось успешным. Графеновые пятна спонтанно катились вокруг наноалмазов, которые удерживали свитки на месте и приводили к устойчивой сверхсмазке. Результаты моделирования были использованы в новой серии экспериментов с наноалмазами, которые подтвердили то же самое.
«Прелесть этого конкретного открытия в том, что мы впервые смогли увидеть устойчивую суперсмазку на макроуровне, что доказывает, что этот механизм может быть использован в инженерных масштабах для реальных приложений», — сказал Шанкаранараянан. "Эти совместные усилия являются прекрасным примером того, как вычисления могут помочь в разработке и открытии новых материалов."
Не скользкий в мокром состоянии
К сожалению, добавление наноалмазов не устранило отвращение материала к воде. Моделирование показало, что вода подавляет образование завитков за счет увеличения адгезии графена к поверхности.
Хотя это значительно ограничивает потенциальные области применения гибридного материала, его способность сохранять сверхсмазывающую способность в сухих условиях сама по себе является значительным прорывом.
Исследовательская группа находится в процессе поиска патента на гибридный материал, который потенциально может быть использован для приложений в сухих условиях, таких как жесткие диски компьютеров, шестерни ветряных турбин и механические вращающиеся уплотнения для микроэлектромеханических и наноэлектромеханических систем.
Дополнительную привлекательность материала делает относительно простой и экономичный метод наплавки, называемый литьем методом капельного литья. Этот метод включает распыление растворов материалов на движущиеся механические части. Когда растворы испаряются, графен и наноалмазы остаются с одной стороны движущейся детали, а алмазоподобный углерод — с другой.
Однако знания, полученные в результате их исследования, возможно, даже более ценны, — сказал Дешмук.
Он ожидает, что механизм наноспрута подстегнет будущие усилия по разработке материалов, обладающих сверхсмазкой, для широкого спектра механических применений.
Со своей стороны, команда Аргонн продолжит свои вычислительные исследования, чтобы найти способы преодолеть барьер, создаваемый водой.
«Мы изучаем различные функциональные возможности поверхности, чтобы увидеть, сможем ли мы включить что-то гидрофобное, что будет препятствовать проникновению воды», — сказал Шанкаранараянан. «Пока вы можете отталкивать воду, наноспирали графена потенциально могут работать и во влажных средах."
Моделирование миллионов атомов
Революционное открытие наноспирали было бы невозможным без суперкомпьютера, такого как Мира. Для воспроизведения экспериментальной установки потребовалось моделирование до 1.2 миллиона атомов для сухой среды и до 10 миллионов атомов для влажной среды.
Исследователи использовали код LAMMPS (Large-scale Atomic / Molecular Massively Parallel Simulator) для выполнения требовательных к вычислениям моделирования реактивной молекулярной динамики.
С помощью катализаторов ALCF команда ученых-вычислителей, которые работают напрямую с пользователями ALCF, смогла преодолеть узкое место в производительности с помощью модуля кода ReaxFF, дополнительного пакета, который был необходим для моделирования химических реакций, происходящих в системе.
Катализаторы ALCF в сотрудничестве с исследователями из IBM, Национальной лаборатории Лоуренса Беркли и Национальных лабораторий Sandia оптимизировали LAMMPS и его реализацию ReaxFF, добавив потоки OpenMP, заменив двухточечную связь MPI на коллективы MPI в ключевых алгоритмах и используя Ввод / вывод MPI. В целом, эти улучшения позволили коду работать в два раза быстрее, чем раньше.
«Благодаря оптимизации кода мы смогли более точно моделировать явления в реальных экспериментальных системах», — сказал Дешмук. "Моделирование на Mira показало нам удивительные вещи, которые нельзя было увидеть в лабораторных испытаниях."
А с недавним анонсом Aurora, суперкомпьютера нового поколения ALCF, Шанкаранараянан воодушевлен тем, куда может пойти это направление исследований в будущем.
«Учитывая появление вычислительных ресурсов, таких как Aurora, и широкий спектр доступных двумерных материалов и типов наночастиц, мы предполагаем создание генома смазки в какой-то момент в будущем», — сказал он. «Наличие такой базы данных по материалам позволит нам подбирать смазочные материалы для конкретных условий эксплуатации."
Среди участников работы по оптимизации кода Николс А. Ромеро, Вэй Цзян и Крис Найт из ALCF; Пол Коффман из IBM; Хасан Метин Актулга из Национальной лаборатории Лоуренса Беркли (ныне в Университете штата Мичиган); и Цзу-Рэй Шан из Сандийских национальных лабораторий.