Однако, к сожалению, генерация белого света с помощью новых технологий, таких как светоизлучающие диоды (LED), не является простой и часто зависит от категории материалов, называемых "редкоземельными металлами", которых становится все меньше. Это недавно побудило ученых искать способы более устойчивого производства белого света. Исследователи из Университета Гиссена, Марбургского университета и Технологического института Карлсруэ недавно открыли новый класс материалов под названием "кластерное стекло", который демонстрирует большой потенциал для замены светодиодов во многих областях применения.

"Мы являемся свидетелями рождения технологии генерации белого света, которая может заменить существующие источники света. Это отвечает всем требованиям, которые предъявляет наше общество: доступность ресурсов, устойчивость, биосовместимость", - сказала профессор д-р Симона Санна, профессор Университета Гиссена и ведущий исследователь вычислительной техники в проекте. "Мои коллеги из экспериментальных наук, которые наблюдали это неожиданное зарождение белого света, обратились за теоретической поддержкой. Кластерное стекло обладает невероятным оптическим откликом, но мы не понимаем почему. Вычислительные методы могут помочь понять эти механизмы. Это именно та задача, с которой хотят столкнуться теоретики".

Санна и его сотрудники обратились к мощи высокопроизводительных вычислений (HPC), используя суперкомпьютер Hawk в Высокопроизводительном вычислительном центре Штутгарта (HLRS), чтобы лучше понять кластерное стекло и то, как оно может служить источником света следующего поколения. Они опубликовали свои выводы в Передовые материалы.

Ясный взгляд на формирование кластерного стекла

Если вы не специалист по материаловедению или химик, слово "стекло" может означать просто прозрачный, твердый материал в ваших окнах или на вашем обеденном столе. Стекло на самом деле относится к классу материалов, которые считаются "аморфными твердыми телами"; то есть им не хватает упорядоченной кристаллической решетки, часто из-за быстрого процесса охлаждения. На атомном уровне составляющие их частицы находятся во взвешенном, неупорядоченном состоянии. В отличие от кристаллических материалов, где частицы упорядочены и симметричны на большом молекулярном расстоянии, беспорядок стекол на молекулярном уровне делает их отличными для изгиба, фрагментации или отражения света.

Экспериментаторы из Марбургского университета недавно синтезировали особый вид стекла, называемый "кластерным стеклом". В отличие от традиционного стекла, которое ведет себя почти как застывшая на месте жидкость, кластерное стекло, как следует из названия, представляет собой набор отдельных кластеров молекул, которые ведут себя как порошок при комнатной температуре. Они генерируют яркий, чистый, белый свет при облучении инфракрасным излучением. Хотя порошки нелегко использовать для изготовления небольших чувствительных электронных компонентов, исследователи нашли способ повторно отливать их в стеклянную форму: "Когда мы расплавляем порошок, мы получаем материал, который обладает всеми характеристиками стекла и может быть придан любой форме, необходимой для конкретного применения," Санна сказала.

В то время как экспериментаторы смогли синтезировать материал и наблюдать его светящиеся свойства, группа обратилась к Sanna и HPC, чтобы лучше понять, как кластерное стекло ведет себя так, как оно есть. Санна указала, что генерация белого света - это не свойство отдельной молекулы в системе, а коллективное поведение группы молекул. Таким образом, построение графиков взаимодействия этих молекул друг с другом и с окружающей средой в процессе моделирования означает, что исследователи должны как фиксировать крупномасштабное поведение генерации света, так и наблюдать, как мелкомасштабные атомные взаимодействия влияют на систему. Любой из этих факторов был бы сложным с точки зрения вычислений. Однако моделирование этих процессов в различных масштабах возможно только с использованием ведущих ресурсов HPC, таких как Hawk.

Сотрудничество между экспериментаторами и теоретиками становится все более важным в материаловедении, поскольку синтез многих итераций аналогичного материала может быть медленным и дорогостоящим. Санна указала, что высокопроизводительные вычисления значительно ускоряют идентификацию и тестирование материалов с новыми оптическими свойствами. "Взаимосвязь между теорией и экспериментом представляет собой непрерывный цикл. Мы можем предсказать оптические свойства материала, который был синтезирован нашими коллегами-химиками, и использовать эти расчеты для проверки и лучшего понимания свойств материала", - сказала Санна. "Мы также можем разрабатывать новые материалы на компьютере, предоставляя информацию, которую химики могут использовать, чтобы сосредоточиться на синтезе соединений, которые с наибольшей вероятностью окажутся полезными. Таким образом, наши модели вдохновляют на синтез новых соединений с заданными оптическими свойствами"

В случае кластерного стекла этот подход привел к эксперименту, который был подтвержден с помощью моделирования, при этом моделирование помогло показать исследователям связь между наблюдаемыми оптическими свойствами и молекулярной структурой их материала кластерного стекла и теперь может продвигаться в качестве кандидата на замену источников света, сильно зависящих от редкоземельных элементов. металлы.

HPC ускоряет сроки НИОКР

HPC играет важную роль в оказании помощи исследователям в ускорении сроков между новым открытием и новым продуктом или технологией. Санна объяснила, что HPC значительно сократил время, необходимое для лучшего понимания кластерного стекла. "Мы тратим много времени на моделирование, но это гораздо меньше, чем характеристика этих материалов в реальности", - сказал он. "Кластеры, которые мы моделируем, имеют ромбовидное ядро с прикрепленными к нему 4 лигандами (молекулярными цепями). Эти лиганды могут быть изготовлены из любого количества веществ, поэтому выполнение этого в эксперименте отнимает много времени ".

Санна отметила, что команда по-прежнему ограничена тем, как долго они могут выполнять индивидуальные заезды для своих симуляций. Многие исследовательские проекты на суперкомпьютерах позволяют разделить сложную систему на множество мелких частей и выполнять вычисления для каждой части параллельно. Команде Санны необходимо уделять особое внимание взаимодействиям частиц на больших расстояниях в больших системах, поэтому они ограничены тем, насколько они могут разделить свое моделирование между компьютерными узлами. Он указал, что регулярный доступ к более длительному времени выполнения - более суток подряд на суперкомпьютере - позволит команде работать быстрее.

В ходе продолжающихся исследований кластерного стекла команда Санны надеется досконально понять происхождение его светогенерирующих свойств. Это могло бы помочь выявить дополнительные новые материалы и определить, как наилучшим образом применять кластерное стекло для генерации света.

Санна объяснил, что ресурсы HPC в HLRS были необходимы для фундаментальных научных исследований его команды, которые, как он надеется, приведут к созданию новых продуктов, которые могут принести пользу обществу. "Главное вычислительное достижение в этой журнальной статье стало возможным только благодаря нашему доступу к машине в Штутгарте", - сказал он.