科学家们阿贡领导计算设备(ALCF)已经确认了材料,表明superlubricity宏观尺度。计算机模拟使用米拉超级计算机帮助推进near-frictionless材料的设计。ALCF是美国能源部科学办公室用户设备。亚博老虎机网登录
:这大规模仿真描绘了一个现象叫做superlubricity或极低摩擦的一个条件。仿真表明,这种情况是在纳米尺度上,当石墨烯原子自组装成管状支架,减少接触面积,和摩擦。底部:superlubricity系统的示意图,黄金代表金刚石颗粒;yabo214蓝色的是石墨烯nanoscroll;绿色显示潜在的石墨烯在二氧化硅;和黑色的类金刚石碳结构的界面。用信用:圣彼得堡德斯穆克,萨勃拉曼尼亚Sankaranarayanan领导,阿贡国家实验室
在圣彼得堡德斯穆克,阿贡国家实验室研究员,正在评估一个潜在的新型润滑材料的仿真结果,他观察到的一种新现象,以前没有见过。
“我记得圣彼得堡打电话给我,说‘你必须过来看看这个。我想告诉你一些很酷的’。”萨勃拉曼尼亚Sankaranarayanan领导说,阿贡计算纳米科学家,领导在ALCF仿真工作。
计算机模拟显示惊人的信息。当两个润滑材料,石墨烯和类金刚石碳(D亚博网站下载LC),对另一滑,石墨烯卷起,形成中空的圆柱形“卷轴”,帮助大幅减少摩擦。这些nanoscrolls象征小说superlubricity机制,这是一个几乎没有摩擦的状态存在。
“nanoscrolls战斗摩擦非常滚珠轴承一样通过创建分离表面,”德斯穆克说,他完成了他的博士后任命阿尔贡1月。
大约三分之一的燃料消耗的汽车致力于克服摩擦。因此,superlubricity非常期望在这个行业。不断的摩擦磨损机械部件,减少他们的一生,superlubricity可以克服的问题。
这样做计算工作之前,阿里•Erdemir戴安娜伯曼和Anirudha Sumant,阿贡国家实验室,科学家们正在进行实验中心的混合材料纳米材料和阿贡的摩擦学实验室。亚博网站下载为他们的实验中,石墨烯的小块被滑对涂有DLC的钢球。
很低的摩擦系数与graphene-DLC观察组合。然而,他们发现摩擦水平波动的原因不明。此外,他们观察到在潮湿的条件下,摩擦系数增加到一个水平大约100倍的摩擦系数测量在干燥环境中。
团队合作和德斯穆克Sankaranarayanan领导执行计算工作。实验条件复制ALCF 10 - petaflop IBM Blue Gene / Q的超级计算机,米拉。进行了大规模的分子动力学模拟找出superlubricity所涉及的机制。
研究小组发现了这些石墨烯nanoscrolls及其不稳定帮助解释材料的摩擦水平上下波动。的重复观察模式形成的中空nanoscrolls然后倒塌由于负荷的压力。
“摩擦降至非常低的值目前滚动形成发生然后它会返回到更高的价值石墨烯片处于unscrolled状态时,“德斯穆克说。
为了克服这个问题,团队包括金刚石粒子的模拟来确定nanoscrolls可以稳定和更持久。yabo214模拟表明,石墨烯片滚在纳米金刚石和死海古卷是在他们的地方举行。这提供了持续superlubricity。在新的实验中使用的金刚石,仿真结果证实了研究结果。
Sankaranarayanan领导说:
这个发现的美妙之处在于我们可以看到持续superlubricity首次大规模,证明这种机制可在工程量表用于实际应用。此次合作是一个很好的例子的计算如何帮助设计和新材料的发现。亚博网站下载
然而,水的影响这种材料没有得到的纳米金刚石的解决。滚动形成抑制了水,石墨烯的表面粘附增加。虽然这大大降低了这种材料的各种可能的应用,它能够维持其superlubricity在干燥环境中仍然是一个重要的突破。
这种混合材料的前景为各种应用程序在干燥的环境中,其中包括风力发电机齿轮、电脑硬盘,机械旋转密封nanoelectromechanical和微机电系统。此外,这种材料可以应用在铸造下降,这是一个具有成本效益的沉积方法。材料在溶亚博网站下载液喷洒机械运动部件,蒸发后,类金刚石碳放在一边,而金刚石和石墨烯在另一边。
nanoscroll机制将促使未来努力开发superlubricity所需材料应用程序。亚博网站下载阿贡的团队正在继续计算研究找出方法来克服由于水资源所面临的问题。
“我们正在探索不同表面功能化,看看我们可以把疏水,将水的东西,“Sankaranarayanan领导说。“只要你能排斥水,石墨烯nanoscrolls可能工作在潮湿的环境中。”
米拉的超级计算机nanoscroll的发现中发挥了至关重要的作用。对于潮湿环境,研究人员模拟了1000万原子,和干燥环境模拟120万个原子。
为了执行计算要求活性分子动力学模拟,大规模原子/分子利用大规模并行模拟器(LAMMPS)代码。计算机科学家ALCF催化剂用于解决性能瓶颈,他们面对ReaxFF模块的代码。这个模块是一个插件包所需的建模系统中发生的化学反应。
LAMMPS和ReaxFF实现被添加OpenMP线程优化,和MPI集体使用MPI的点对点通信,与MPI I / O杠杆。这种优化是由ALCF催化剂之间的合作,IBM,桑迪亚国家实验室和劳伦斯伯克利国家实验室。的代码能够执行速度的两倍。
”代码的优化,我们可以模拟现象在现实实验系统更准确地说,“德斯穆克说。“模拟米拉向我们展示了一些奇妙的东西,不能在实验室的测试。”
Sankaranarayanan领导极大地预计未来研究可能ALCF的新一代超级计算机,极光。
“鉴于计算资源如极光的出现和可用的宽色域二维材料和纳米颗粒类型,我们设想建立一个润滑剂基因组在将来的某个时候,”亚博网站下载他说。“有这样的材料数据库亚博网站下载将允许我们选择润滑剂材料具体操作条件。”
这项研究的结果已经发表的一篇名为“大规模superlubricity通过石墨烯nanoscroll形成“科学快讯。亚博老虎机网登录
美国能源部的“创新和小说理论和实验计算的影响”(刺激)计划分配所需的计算时间ALCF项目。
其他研究人员导致优化代码包括克里斯•奈特尼科尔斯a·罗梅罗和魏ALCF江;Tzu-Ray山桑迪亚国家实验室;哈桑Metin Aktulga从劳伦斯伯克利国家实验室(现在在密歇根州立大学);从IBM和保罗·科夫。