Хотя плавление — это знакомое явление, встречающееся в повседневной жизни, играющее роль во многих промышленных и коммерческих процессах, еще многое предстоит узнать об этом преобразовании на фундаментальном уровне.
В 2015 году команда во главе с Шэрон Глотцер из Мичиганского университета использовала высокопроизводительные вычисления в Окриджской национальной лаборатории Министерства энергетики (DOE) для изучения плавления в двумерных (2-D) системах. на поверхностные взаимодействия в материалах, важных для таких технологий, как солнечные панели, а также на механизм трехмерного плавления. Команда исследовала, как форма частиц влияет на физику перехода плавления твердое тело в жидкость в двух измерениях.
Используя суперкомпьютер Cray XK7 Titan в Oak Ridge Leadership Computing Facility (OLCF), пользовательском центре Министерства энергетики США, работа команды показала, что форма и симметрия частиц могут существенно повлиять на процесс плавления.
Это фундаментальное открытие может помочь исследователям в поисках наночастиц с желаемыми свойствами для использования в энергетике.
Чтобы решить эту проблему, команде Глотцера понадобился суперкомпьютер, способный моделировать системы до 1 миллиона твердых многоугольников, простые частицы, используемые в качестве заменителей атомов, от треугольников до 14-сторонних форм.
В отличие от традиционных симуляций молекулярной динамики, которые пытаются имитировать природу, симуляции с жесткими полигонами дают исследователям урезанную среду, в которой они могут оценить физику, подверженную влиянию формы.
«В нашей смоделированной двумерной среде мы обнаружили, что переход плавления следует по одному из трех различных сценариев в зависимости от формы многоугольников системы», — сказал исследователь Джошуа Андерсон из Университета Мичигана. «Примечательно, что мы обнаружили, что системы, состоящие из шестиугольников, полностью соответствуют хорошо известной теории двумерного плавления, которая не была описана до сих пор."
Сценарии изменения формы
В трехмерных системах, таких как утончающаяся сосулька, плавление принимает форму фазового перехода первого рода. Это означает, что скопления молекул в этих системах существуют либо в твердой, либо в жидкой форме без промежуточных состояний в присутствии скрытой теплоты, энергии, которая питает фазовый переход твердое тело в жидкость . В двухмерных системах, таких как тонкопленочные материалы, используемые в батареях и других технологиях, плавление может быть более сложным, иногда проявляя промежуточную фазу, известную как гексатическая фаза.
Гексатическая фаза, состояние, характеризуемое как промежуточная точка между упорядоченным твердым телом и неупорядоченной жидкостью, была впервые теоретизирована в 1970-х годах исследователями Джоном Костерлицем, Дэвидом Таулессом, Бертом Гальперином, Дэвидом Нельсоном и Питером Янгом.
Эта фаза является принципиальной особенностью теории KTHNY, двухмерной теории плавления, предложенной исследователями (и названной на основе первых букв их фамилий). В 2016 году Костерлиц и Таулесс были удостоены Нобелевской премии по физике вместе с физиком Дунканом Холдейном за их вклад в исследования двухмерных материалов.
На молекулярном уровне твердые, гексатические и жидкие системы определяются расположением их атомов. В кристаллическом твердом теле существует два типа порядка: поступательный и ориентационный.
Трансляционный порядок описывает четко определенные пути между атомами на расстояниях, как блоки в тщательно построенной башне Дженга. Ориентационный порядок описывает относительный и кластерный порядок, разделяемый между атомами и группами атомов на расстояниях. Подумайте о той же башне Дженга, перевернувшейся после нескольких раундов игры. Общая форма башни сохранилась, но теперь ее порядок фрагментирован.
Гексатическая фаза не имеет трансляционного порядка, но обладает ориентационным порядком. (Жидкость не имеет ни поступательного, ни ориентационного порядка, но демонстрирует ближний порядок, то есть у любого атома будет некоторое среднее количество соседей поблизости, но без предсказуемого порядка.)
Для определения наличия гексатической фазы требуется компьютер высшего класса, который может рассчитывать большие системы твердых частиц. Команда Глотцера получила доступ к 27-петафлопсному Титану OLCF через программу Innovative and New Computational Impact on Theory and Experiment (INCITE), запустив свой код HOOMD-blue с ускорением на GPU, чтобы максимально увеличить время работы на машине.
На Титане HOOMD-blue использовал 64 графических процессора для каждого массового параллельного моделирования Монте-Карло до 1 миллиона частиц.
Исследователи исследовали 11 различных систем форм, применяя внешнее давление, чтобы сбивать частицы вместе. Каждая система была смоделирована при 21 различной плотности, при этом наименьшие плотности представляли жидкое состояние, а наибольшие плотности — твердое состояние.
Моделирование продемонстрировало несколько сценариев плавления, зависящих от формы многоугольников. Системы с семиугольниками или более точно повторяют плавление жестких дисков или кругов, демонстрируя непрерывный фазовый переход от твердой к гексатической фазе и фазовый переход первого рода от гексатической к жидкой фазе.
Непрерывный фазовый переход означает постоянно изменяющуюся площадь в ответ на изменение внешнего давления. Фазовый переход первого рода характеризуется разрывом, в котором объем перепрыгивает через фазовый переход в ответ на изменение внешнего давления.
Команда обнаружила, что пятиугольники и четырехугольные пентиллы, неправильные пятиугольники с двумя разными длинами краев, демонстрируют фазовый переход первого рода из твердого тела в жидкость.
Однако наиболее значительный результат был сделан на основе гексагональных систем, которые полностью следовали фазовому переходу, описанному теорией KTHNY. В этом сценарии частицы переходят из твердого состояния в гексатическое и из гексатического в жидкое в идеальной схеме непрерывного фазового перехода.
«На самом деле было немного удивительно, что никто другой не обнаружил этого до сих пор, — сказал Андерсон, — потому что кажется естественным, что шестиугольник с его шестью сторонами и гексагональное расположение в виде соты идеально подходят для этой теории. "в котором гексатическая фаза обычно содержит шестикратный ориентационный порядок.
Команда Глотцера, недавно получившая грант от INCITE в 2017 году, теперь применяет свои передовые вычислительные способности для решения проблемы фазовых переходов в трехмерном пространстве. Команда сосредоточена на том, как частицы жидкости кристаллизуются в сложные коллоиды — смеси, в которых частицы взвешены в другом веществе.
Общие примеры коллоидов включают молоко, бумагу, туман и витражи.
«Мы планируем использовать Titan, чтобы изучить, как сложность может возникнуть из этих простых взаимодействий, и для этого мы на самом деле собираемся посмотреть, как растут кристаллы, и изучить кинетику того, как это происходит», — сказал Андерсон.