Avec l'avènement de la technologie laser dans les années 1960, les scientifiques des matériaux ont acquis un nouvel outil pour étudier et modifier les matériaux. Aujourd'hui, les lasers permettent aux chercheurs de manipuler des matériaux aux niveaux atomique et subatomique, conduisant à de nouveaux matériaux et à une foule d'autres applications.

Par exemple, en contrôlant la longueur d'onde du laser, intensité, et durée d'impulsion, les chercheurs peuvent modifier les métaux pour présenter de nouvelles propriétés utiles pour un large éventail d'applications. Jusqu'à ces dernières années, les chercheurs se sont appuyés sur des essais et des erreurs expérimentaux pour obtenir les propriétés souhaitées, mais à l'ère des supercalculateurs, les expériences peuvent être faites dans un laboratoire virtuel.

Le professeur de l'Université de Virginie, Leonid Zhigilei, a dirigé une équipe qui a créé un tel laboratoire virtuel en utilisant les ressources informatiques de l'Oak Ridge Leadership Computing Facility (OLCF), une installation d'utilisateurs du bureau des sciences du département américain de l'Énergie (DOE) située au laboratoire national d'Oak Ridge du DOE. L'équipe a utilisé le supercalculateur Titan de l'OLCF pour mieux comprendre les interactions laser avec les surfaces métalliques.

« Expansion rapide des applications pratiques du traitement laser à impulsions ultracourtes, y compris l'ingénierie de nouveaux matériaux, nécessite la compréhension des mécanismes fondamentaux des transformations structurelles et de phase induites par laser, " dit Zhigilei. " Sondage expérimental de ces transformations, qui se déroulent à l'échelle de la picoseconde (un billionième de seconde), est difficile, cher, et souvent même pas faisable. Réaliser des « expériences virtuelles » sur un superordinateur offre une alternative intéressante.

"De plus, les résultats informatiques peuvent guider une exploration expérimentale ciblée des régimes d'irradiation les plus prometteurs ou des phénomènes intéressants prédits dans les simulations, " il a dit.

En utilisant une combinaison d'expériences virtuelles et réelles, l'équipe acquiert une compréhension fondamentale des mécanismes d'interactions matérielles induites par les lasers.

impulsions courtes, grandes simulations

Le terme laser est en fait un acronyme pour l'amplification de la lumière par émission stimulée de rayonnement. La lumière visible que nous voyons dans notre vie quotidienne est un rayonnement électromagnétique - de l'énergie - qui tombe dans une longueur d'onde que nos yeux peuvent percevoir. Les atomes doivent être excités pour libérer leur énergie émettrice de lumière, bien que, et les lasers exploitent l'énergie de ces atomes en faisceaux.

Ces faisceaux sont une collection d'ondes lumineuses cohérentes. La quantité d'énergie qu'ils transportent, cependant, peut varier considérablement, et les lasers à basse et haute énergie ont eu un impact énorme sur la vie moderne. Les lasers à faible énergie ont contribué à inaugurer l'ère des CD et des DVD, tandis que les lasers à haute énergie ont simplifié d'innombrables procédures médicales et permis un large éventail d'applications de conception de matériaux. Ce dernier nécessite de la précision et une compréhension détaillée de la façon dont les lasers interagissent avec un matériau à l'échelle nanométrique.

Zhigilei a noté que son équipe s'est concentrée sur la compréhension des transitions de phase ultrarapides déclenchées par l'irradiation laser, ou les chemins empruntés par la matière pour passer d'un état de la matière à un autre, comme la fonte de la glace et la transformation de l'eau.

Si une source de chaleur heurte un glaçon, par exemple, il commence à fondre au point de chauffage. La chaleur se transfère ensuite vers les régions plus froides derrière, faire fondre le cube entier essentiellement d'avant en arrière. L'énergie intense des lasers, bien que, permet à ce même glaçon de fondre de l'intérieur ou de fondre dans différentes régions simultanément. Dans le cas d'un glaçon, le solide entier se transforme finalement en eau, mais lorsque les chercheurs tentent de cataloguer les changements de surface métallique à l'échelle nanométrique, l'image devient plus complexe. Comprendre les détails de ces transitions de phase est essentiel pour prédire les propriétés des matériaux qui peuvent être intéressantes pour des applications pratiques.

L'équipe de Zhigilei utilise des superordinateurs pour simuler ces transformations de phase à l'échelle atomique. Pour créer des simulations significatives, bien que, l'équipe doit simuler des millions ou, dans certains cas, des milliards d'atomes. Ils peuvent alors observer comment les atomes se déplacent sur une séquence de très brefs instants appelés pas de temps. En exécutant de longues simulations composées de millions de pas de temps, les chercheurs pourront peut-être observer tous les processus qui se produisent lors d'une interaction laser-métal pendant une durée totale de plusieurs nanosecondes (chaque nanoseconde correspond à un milliardième de seconde). L'équipe a récemment effectué une simulation d'argent à 2,8 milliards d'atomes pendant 3,2 nanosecondes, lui permettant de comparer pour la première fois la morphologie de la surface gelée - sa structure de surface - à des données expérimentales.

Nouvelles nanostructures issues de la morphologie des métaux

Les lasers peuvent conférer aux métaux de nombreuses propriétés nouvelles. Une façon de le faire est d'utiliser l'ablation au laser, ou le processus d'élimination sélective de petites quantités de matière, modifiant ainsi la morphologie et la microstructure de la surface. Bien que souvent invisible à l'œil humain, ce processus peut apporter des changements majeurs aux caractéristiques d'un métal. L'ablation au laser irradie la surface du métal en un temps record, interaction violente, créant de très petites explosions de particules retirées du matériau. Au fur et à mesure que le métal refroidit, il présente de nouvelles propriétés, selon le processus.

Les ingénieurs peuvent utiliser des lasers pour influencer la façon dont une surface métallique interagit avec l'eau, forçant l'eau à rouler de la surface dans une certaine direction, par exemple. Les chercheurs peuvent créer des surfaces noires sur des métaux sans utiliser de peinture ou d'autres matériaux synthétiques. De courtes impulsions laser peuvent également modifier localement la dureté des métaux; pour une flexibilité accrue, les ingénieurs peuvent fabriquer une enveloppe extérieure dure d'un échantillon de métal tout en gardant l'intérieur plus doux.

Dans de nombreux cas, le traitement des métaux s'effectue sous vide, permettant ainsi aux ingénieurs d'empêcher les contaminants de pénétrer dans le matériau traité. Bien que l'équipe de Zhigilei se soit principalement concentrée sur la simulation des interactions métal-laser dans le vide, le temps de calcul accordé dans le cadre du programme INCITE (Innovative and Novel Computational Impact on Theory and Experiment) a permis à l'équipe de simuler ces processus dans des scénarios plus complexes, également. "L'ablation laser dans les liquides, en particulier, est activement utilisé pour la génération de nanoparticules colloïdales propres [nanoparticules insolubles et uniformément dispersées dans un solvant] avec des formes et des fonctionnalités uniques adaptées à des applications dans divers domaines, y compris la biomédecine, catalyse chimique, et plasmonique, " a déclaré Cheng-Yu Shih, membre de l'équipe et étudiant diplômé de l'Université de Virginie.

"Tandis que, expérimentalement, il a été démontré que l'environnement liquide affecte fortement la distribution de la taille des nanoparticules et la microstructure des surfaces modifiées au laser, les mécanismes physiques de modification de surface laser et d'ablation dans les liquides sont encore mal compris. L'interaction du panache d'ablation [un nuage de vapeur métallique et de petites gouttelettes éjectées de la cible irradiée] avec l'environnement liquide ajoute une couche supplémentaire de complexité à l'ablation laser. Les simulations atomistiques permettent d'éclairer les premiers, stade très critique de l'interaction entre le panache d'ablation et le liquide et prédire les mécanismes ultérieurs de formation de nanoparticules au niveau atomique. Avec l'accès aux ressources INCITE, il devient possible de résoudre le problème difficile de la modélisation atomistique de la génération de nanoparticules par ablation laser dans les liquides, " Shih continua.

La capacité de l'équipe à étendre ses simulations est venue d'équiper son code pour utiliser des accélérateurs comme les GPU de Titan. Au cours de son projet INCITE, l'équipe a travaillé avec Mark Berrill, agent de liaison pour le calcul scientifique de l'OLCF, et le personnel d'assistance aux utilisateurs de l'OLCF pour améliorer les performances du code hybride.

Par conséquent, l'équipe a pu atteindre une accélération sept fois supérieure aux méthodes utilisant uniquement le processeur. Ces accélérations ont aidé l'équipe à s'agrandir, simulations plus complexes et étendre l'étude aux simulations de traitement des métaux en dehors du vide. En outre, Le personnel de l'OLCF a aidé l'équipe à optimiser les performances d'E/S de ses codes en implémentant le middleware ADIOS (Adaptive I/O System) dans le code.

L'équipe a également travaillé avec l'informaticien de l'OLCF Benjamin Hernandez pour aider à la visualisation des configurations atomiques composées de milliards d'atomes.

L'équipe attribue une variété de ressources de calcul à son succès. "Avec un code informatique hautement optimisé qui s'exécute en parallèle sur des milliers de nœuds informatiques et utilise pleinement les capacités de la technologie informatique moderne, y compris des interconnexions à faible latence et à bande passante élevée entre les nœuds et les accélérateurs GPU hautes performances, il est maintenant possible de résoudre les problèmes de calcul les plus ambitieux et incroyablement difficiles dans notre domaine, ", a déclaré Maxim Shugaev, membre de l'équipe et étudiant diplômé de l'Université de Virginie.

Entamant la prochaine année de son prix INCITE, l'équipe prévoit de se concentrer sur les interactions laser-métal dans les liquides pour obtenir une image complète de la façon dont la tension de surface, température critique, pression, et des environnements différents contrôlent la morphologie et la microstructure de la surface métallique.