Les scientifiques d'Argonne ont utilisé Mira pour identifier et améliorer un nouveau mécanisme d'élimination des frictions, qui a contribué au développement d'un matériau hybride qui a présenté pour la première fois une superlubrification à l'échelle macroscopique. Les chercheurs de l'Argonne Leadership Computing Facility (ALCF) ont aidé à réaliser des simulations révolutionnaires en surmontant un goulot d'étranglement des performances qui a doublé la vitesse du code de l'équipe.

Tout en examinant les résultats de simulation d'un nouveau matériau lubrifiant prometteur, Le chercheur d'Argonne Sanket Deshmukh est tombé sur un phénomène qui n'avait jamais été observé auparavant.

"Je me souviens que Sanket m'a appelé et m'a dit 'tu dois venir ici et voir ça. Je veux te montrer quelque chose de vraiment cool, ' », a déclaré Subramanian Sankaranarayanan, Nanoscientifique computationnel d'Argonne, qui a dirigé les travaux de simulation à l'Argonne Leadership Computing Facility (ALCF), une installation utilisateur du DOE Office of Science.

Ils ont été étonnés par ce que les simulations informatiques ont révélé. Lorsque les matériaux lubrifiants - le graphène et le carbone de type diamant (DLC) - ont glissé les uns contre les autres, le graphène a commencé à s'enrouler pour former des "rouleaux" cylindriques creux qui ont permis d'éliminer pratiquement le frottement. Ces soi-disant nanoscrolls représentaient un tout nouveau mécanisme de superlubrification, un état dans lequel le frottement disparaît essentiellement.

"Les nanoscrolls combattent la friction de la même manière que les roulements à billes en créant une séparation entre les surfaces, " dit Deshmukh, qui a terminé son stage postdoctoral à Argonne en janvier.

La superlubrification est une propriété hautement souhaitable. Considérant que près d'un tiers de chaque réservoir de carburant est utilisé pour surmonter les frictions dans les automobiles, un matériau qui peut atteindre une superlubrification profiterait grandement à l'industrie et aux consommateurs. De tels matériaux pourraient également contribuer à augmenter la durée de vie d'innombrables composants mécaniques qui s'usent en raison des frottements incessants.

Origines expérimentales

Avant le travail de calcul, les scientifiques d'Argonne Ali Erdemir, Anirudha Sumant, et Diana Berman étudiaient le matériau hybride dans des expériences de laboratoire au laboratoire de tribologie d'Argonne et au Center for Nanoscale Materials, une installation utilisateur du DOE Office of Science. La configuration expérimentale consistait en de petites plaques de graphène (une forme bidimensionnelle à feuille unique de carbone pur) glissant contre une bille d'acier recouverte de DLC.

La combinaison graphène-DLC enregistrait un très faible coefficient de frottement (un rapport qui mesure la force de frottement entre deux surfaces), mais les niveaux de friction fluctuaient de haut en bas sans raison apparente. Les expérimentateurs ont également été perplexes en découvrant que les environnements humides faisaient grimper le coefficient de friction à des niveaux près de 100 fois supérieurs à ceux mesurés dans les environnements secs.

Pour faire la lumière sur ces comportements mystérieux, ils se sont tournés vers Sankaranarayanan et Deshmukh pour obtenir de l'aide informatique. En utilisant Mira, le supercalculateur IBM Blue Gene/Q 10 pétaflops de l'ALCF, les chercheurs ont reproduit les conditions expérimentales avec des simulations de dynamique moléculaire à grande échelle visant à comprendre les mécanismes sous-jacents de la superlubrification à un niveau atomistique.

Cela a conduit à leur découverte des nanoscrolls de graphène, ce qui a aidé à combler les vides. Les niveaux de friction fluctuants du matériau s'expliquaient par le fait que les nanoscrolls eux-mêmes n'étaient pas stables. Les chercheurs ont observé un motif répétitif dans lequel les nanoscrolls creux se formeraient, puis s'effondrer et s'effondrer sous la pression de la charge.

"Le frottement chutait à des valeurs très faibles au moment où la formation du défilement a eu lieu, puis il remontait à des valeurs plus élevées lorsque les patchs de graphène étaient dans un état non déroulé, " a déclaré Deshmukh.

Les informaticiens ont eu une idée pour surmonter ce problème. Ils ont essayé d'incorporer des particules de nanodiamant dans leurs simulations pour voir si le matériau dur pouvait aider à stabiliser les nanoscrolls et à les rendre plus permanents.

Assez sur, les simulations se sont avérées fructueuses. Les patchs de graphène se sont spontanément enroulés autour des nanodiamants, qui maintenait les rouleaux en place et résultait en une superlubrification soutenue. Les résultats de la simulation ont alimenté une nouvelle série d'expériences avec des nanodiamants qui ont confirmé la même chose.

"La beauté de cette découverte particulière est que nous avons pu voir pour la première fois une superlubrification soutenue à l'échelle macro, prouver que ce mécanisme peut être utilisé à des échelles d'ingénierie pour des applications réelles, " Sankaranarayanan a déclaré. " Cet effort de collaboration est un exemple parfait de la façon dont le calcul peut aider à la conception et à la découverte de nouveaux matériaux. "

Ne glisse pas lorsqu'il est mouillé

Malheureusement, l'ajout de nanodiamants n'a pas répondu à l'aversion du matériau pour l'eau. Les simulations ont montré que l'eau supprime la formation de volutes en augmentant l'adhérence du graphène à la surface.

Bien que cela limite considérablement les applications potentielles du matériau hybride, sa capacité à maintenir la superlubrification dans les environnements secs est une percée significative en soi.

L'équipe de recherche est en train de déposer un brevet pour le matériau hybride, qui pourraient potentiellement être utilisées pour des applications dans des environnements secs, tels que les disques durs d'ordinateurs, engrenages d'éoliennes, et les joints rotatifs mécaniques pour les systèmes microélectromécaniques et nanoélectromécaniques.

Pour ajouter à l'attrait du matériau, une méthode de dépôt relativement simple et rentable appelée coulée en gouttes. Cette technique consiste à pulvériser des solutions des matériaux sur des pièces mécaniques en mouvement. Lorsque les solutions s'évaporent, il laisserait le graphène et les nanodiamants d'un côté d'une pièce mobile, et du carbone de type diamant de l'autre côté.

Cependant, les connaissances acquises grâce à leur étude sont peut-être encore plus précieuses, dit Deshmukh. Il s'attend à ce que le mécanisme de nanoscroll stimule les efforts futurs pour développer des matériaux capables de superlubrification pour un large éventail d'applications mécaniques.

Pour leur part, l'équipe d'Argonne poursuivra ses études computationnelles pour chercher des moyens de surmonter la barrière présentée par l'eau.

"Nous explorons différentes fonctionnalisations de surface pour voir si nous pouvons incorporer quelque chose d'hydrophobe qui empêcherait l'eau d'entrer, " dit Sankaranarayanan. " Tant que vous pouvez repousser l'eau, les nanoscrolls de graphène pourraient également fonctionner dans des environnements humides. »

Simuler des millions d'atomes

La découverte révolutionnaire du nanoscroll de l'équipe n'aurait pas été possible sans un superordinateur comme Mira. La réplication du dispositif expérimental nécessitait de simuler jusqu'à 1,2 million d'atomes pour les environnements secs et jusqu'à 10 millions d'atomes pour les environnements humides.

Les chercheurs ont utilisé le code LAMMPS (Large-scale Atomic/Molecular Massively Parallel Simulator) pour effectuer les simulations de dynamique moléculaire réactive exigeantes en termes de calcul.

Avec l'aide de catalyseurs ALCF, une équipe de scientifiques informaticiens qui travaillent directement avec les utilisateurs de l'ALCF, ils ont pu surmonter un goulot d'étranglement de performance avec le module ReaxFF du code, un module complémentaire qui était nécessaire pour modéliser les réactions chimiques se produisant dans le système.

Les catalyseurs ALCF, en collaboration avec des chercheurs d'IBM, Laboratoire national Lawrence Berkeley, et les laboratoires nationaux Sandia, optimisé LAMMPS et son implémentation de ReaxFF en ajoutant le threading OpenMP, remplacement de la communication point à point MPI par des collectifs MPI dans les algorithmes clés, et en tirant parti des E/S MPI. Tout à fait, ces améliorations ont permis au code de fonctionner deux fois plus vite qu'auparavant.

« Avec les optimisations de code en place, nous avons pu modéliser plus précisément les phénomènes dans des systèmes expérimentaux réels, " a déclaré Deshmukh. " Les simulations sur Mira nous ont montré des choses étonnantes qui ne pouvaient pas être vues dans les tests de laboratoire. "

Et avec l'annonce récente d'Aurora, le supercalculateur de nouvelle génération de l'ALCF, Sankaranarayanan est ravi de savoir où cette ligne de recherche pourrait aller à l'avenir.

"Compte tenu de l'avènement de ressources informatiques comme Aurora et de la large gamme de matériaux bidimensionnels et de types de nanoparticules disponibles, nous envisageons la création d'un génome lubrifiant à un moment donné dans le futur, ", a-t-il déclaré. " Disposer d'une base de données sur les matériaux comme celle-ci nous permettrait de sélectionner et de choisir des lubrifiants pour des conditions opérationnelles spécifiques. "

Les chercheurs ont récemment publié les résultats de ce projet dans un Science Express .