Une équipe internationale de scientifiques a découvert, à l'aide de simulations sur ordinateur, qu'en fléchissant le diamant, sa conductivité thermique peut être considérablement augmentée ou diminuée. Les scientifiques du monde entier s'intéressent à l'ingénierie des déformations élastiques pour découvrir les propriétés que présentent les matériaux lorsqu'ils sont soumis à des contraintes de traction ou de cisaillement importantes.

De telles découvertes pourraient ouvrir la porte au développement de nouveaux dispositifs microélectroniques et optoélectroniques tels que des puces informatiques, des capteurs quantiques, des dispositifs de communication, etc.

"Notre étude démontre le cadre permettant de cartographier l'intégralité de la limite de stabilité des phonons dans un espace de déformation à six dimensions, ce qui peut guider l'ingénierie des matériaux grâce à l'ingénierie des déformations élastiques", a déclaré Frank Shi, ancien chercheur au Département de science et d'ingénierie nucléaires et au Département de science et d'ingénierie des matériaux au Massachusetts Institute of Technology.

Shi est co-auteur de l'étude révélant la conductivité thermique réglable du diamant, publiée dans les Proceedings of the National Academy of Sciences. en février 2024.

Shi et ses collègues ont développé un modèle informatique calibré sur des données expérimentales utilisant la diffusion de neutrons et de rayons X d'un diamant non déformé pour déterminer les propriétés physiques du diamant contraint telles que la stabilité des phonons, les structures de bandes de phonons et la durée de vie des phonons.

"En appliquant ce cadre, nous avons découvert que la conductivité thermique du diamant à température ambiante peut être augmentée ou diminuée de plus de 90 % grâce à des contraintes mécaniques sans induire d'instabilités à l'intérieur du matériau", a ajouté Shi.

Shi a réalisé des travaux antérieurs en 2021 portant sur des calculs de mécanique quantique de la structure de la bande électronique du diamant, qui décrit l'énergie des électrons et a joué un rôle important dans la construction du modèle vibrationnel du réseau.

L'équipe scientifique a utilisé un supercalculateur Frontera du Texas Advanced Computing Center (TACC). Ils ont commencé avec une allocation Pathways, puis ont été étendus à une allocation de ressources de leadership pouvant atteindre cinq millions d'heures de nœud.

"Nous avons utilisé Frontera pour générer les données à partir du grand espace de déformation à six dimensions, en plus de la structure de bande de phonons en trois dimensions", a déclaré Ju Li, co-auteur de l'étude, professeur de science et d'ingénierie des matériaux et professeur de Battelle Energy Alliance en nucléaire. Ingénierie au MIT.

Li a utilisé Frontera pour effectuer des milliers de calculs de théorie fonctionnelle de la densité afin de déterminer la structure de la bande de phonons et les propriétés de diffusion des phonons en fonction du tenseur de déformation. Ensuite, ils ont formé un réseau DPU (unité de traitement de données) à l'aide de l'apprentissage automatique pour générer une fonction de réponse à neuf dimensions pour le modèle.

"Et grâce à cela, nous sommes en mesure de fournir les propriétés vibratoires et électroniques du diamant pour des contraintes arbitraires et de manière rapide", a ajouté Li. "C'est désormais un calcul beaucoup moins coûteux avec le modèle d'apprentissage automatique. Pour la première fois, nous sommes en mesure de délimiter entièrement la surface de 'déformation idéale' en six dimensions."

Selon Li, ce travail fait progresser le concept de déformation idéale, proposé pour la première fois par Yakov Frenkel en 1926, qui donne un chiffre approximatif pour le cisaillement simple, sans tenir compte des propriétés individuelles du matériau.

"Avec le supercalculateur Frontera, nous avons pu créer pour la première fois une carte de navigation de l'espace de déformation élastique qui régit la stabilité des phonons et la conductivité thermique du diamant", a ajouté Li.

Dans les ordinateurs portables et les téléphones portables, la technologie du silicium de contrainte standard est utilisée pour étirer le réseau cristallin du transistor d'environ 1 %, ce qui accélère le déplacement des électrons dans le canal de silicium.

"Nous allons jusqu'à 10%", a déclaré Li. "Et comme il s'agit d'un espace à six dimensions, si j'augmente l'amplitude de la déformation d'un facteur 10, son volume paramétrique est plus grand d'un facteur d'un million dans l'espace de déformation élastique. C'est pourquoi nous avons besoin d'un calcul de grande puissance pour cartographier l'espace. fonctionnalités."

"Les calculs de mécanique quantique effectués sur Frontera nous ont fourni la vérité terrain de ces données afin que nous puissions former un modèle d'apprentissage automatique", a ajouté Shi.

Sans apprentissage automatique, des milliards de calculs seraient nécessaires pour modéliser le nombre important d'états de déformation.

"Cela nous fait gagner un temps de calcul précieux sans sacrifier la précision", a déclaré Shi.

Cette recherche s’inscrit dans un effort scientifique plus vaste appelé Material Genome Initiative (MGI), un analogue conceptuel du Human Genome Project qui a cartographié et séquencé les gènes du génome humain. Le MGI intègre des outils avancés de modélisation, de calcul et expérimentaux, ainsi que des données quantitatives pour accélérer la découverte de matériaux avancés utilisés dans les batteries, les puces informatiques et bien plus encore.

"Les six degrés de liberté de contrainte supplémentaires que nous avons étudiés nous offrent de nouvelles libertés considérables", a déclaré Li. Les propriétés vibratoires des phonons sont essentielles à la supraconductivité, aux propriétés thermoélectriques et à la conductivité thermique.

Li a ajouté que Frontera est une ressource « formidable », non seulement pour la recherche, mais aussi pour l'éducation et le développement de la main-d'œuvre. "Pour mon groupe, le système m'a aidé à encadrer des stagiaires de West Point parmi les étudiants du ROTC. Ils le trouvent extrêmement facile d'accès et d'utilisation", a déclaré Li.

Il a été répété à maintes reprises que les superordinateurs contribuaient à accélérer le processus de découverte de la science des matériaux.

"Ils nous permettent d'utiliser des simulations pour itérer rapidement des modèles raffinés basés sur de nouvelles données, puis d'explorer différentes approches de conception et de recherche de matériaux", a conclu Shi. "Ce cycle rapide de tests d'hypothèses accélère la transition des connaissances théoriques aux applications pratiques. Il s'agit d'un paradigme important et indispensable aux scientifiques des matériaux pour mener des recherches modernes."