Onderzoekers blijven de productie van grafeen verfijnen met HPC

Grafeen is misschien wel een van de meest opwindende wetenschappelijke ontdekkingen van de vorige eeuw. Hoewel het ons opvallend bekend is – grafeen wordt beschouwd als een allotroop van koolstof, wat betekent dat het in wezen dezelfde stof is als grafiet maar in een andere atomaire structuur – opende grafeen ook een nieuwe wereld van mogelijkheden voor het ontwerpen en bouwen van nieuwe technologieën.

Het materiaal is tweedimensionaal, wat betekent dat elk “vel” grafeen slechts 1 atoom dik is, maar de bindingen maken het zo sterk als sommige van ’s werelds hardste metaallegeringen, terwijl het licht en flexibel blijft. Deze waardevolle, unieke mix van eigenschappen heeft de interesse gewekt van wetenschappers uit een breed scala van vakgebieden, wat heeft geleid tot onderzoek naar het gebruik van grafeen voor de volgende generatie elektronica, nieuwe coatings op industriële instrumenten en gereedschappen, en nieuwe biomedische technologieën.

Het is misschien het immense potentieel van grafeen dat een van de grootste uitdagingen heeft veroorzaakt: grafeen is moeilijk in grote hoeveelheden te produceren en de vraag naar het materiaal groeit voortdurend. Recent onderzoek geeft aan dat het gebruik van een vloeibare koperkatalysator een snelle, efficiënte manier kan zijn om grafeen te produceren, maar onderzoekers hebben slechts een beperkt begrip van moleculaire interacties die plaatsvinden tijdens deze korte, chaotische momenten die leiden tot grafeenvorming, wat betekent dat ze de methode nog niet kunnen gebruiken om op betrouwbare wijze onberispelijke grafeenplaten te produceren.

Om deze uitdagingen aan te gaan en methoden te helpen ontwikkelen voor een snellere productie van grafeen, heeft een team van onderzoekers van de Technische Universiteit van München (TUM) de JUWELS en SuperMUC-NG high-performance computing (HPC) systemen in het Jülich Supercomputing Center gebruikt. (JSC) en Leibniz Supercomputing Center (LRZ) om simulaties met hoge resolutie van grafeenvorming op vloeibaar koper uit te voeren.

Een venster op het experiment

De aantrekkingskracht van grafeen komt voornamelijk voort uit de perfect uniforme kristalstructuur van het materiaal, wat betekent dat het produceren van grafeen met onzuiverheden verspilde moeite is. Voor laboratoriumomgevingen of omstandigheden waar slechts een kleine hoeveelheid grafeen nodig is, kunnen onderzoekers een stuk plakband op een grafietkristal plaatsen en atomaire lagen van het grafiet “afpellen” met behulp van een techniek die lijkt op hoe men tape of een ander kleefmiddel zou gebruiken om dierenharen uit kleding te verwijderen. Hoewel dit op betrouwbare wijze onberispelijke grafeenlagen produceert, is het proces traag en onpraktisch voor het maken van grafeen voor grootschalige toepassingen.

De industrie heeft methoden nodig die betrouwbaar en goedkoper en sneller grafeen van hoge kwaliteit kunnen produceren. Een van de meer veelbelovende methoden die wordt onderzocht, is het gebruik van een vloeibare metaalkatalysator om de zelfassemblage van koolstofatomen uit moleculaire voorlopers tot een enkele grafeenlaag die bovenop het vloeibare metaal groeit, te vergemakkelijken. Hoewel de vloeistof de mogelijkheid biedt om de grafeenproductie efficiënt op te schalen, introduceert het ook een groot aantal complicaties, zoals de hoge temperaturen die nodig zijn om de typische gebruikte metalen, zoals koper, te smelten.

Bij het ontwerpen van nieuwe materialen gebruiken onderzoekers experimenten om te zien hoe atomen onder verschillende omstandigheden op elkaar inwerken. Hoewel technologische vooruitgang nieuwe manieren heeft geopend om inzicht te krijgen in het gedrag op atomaire schaal, zelfs onder extreme omstandigheden zoals zeer hoge temperaturen, stellen experimentele technieken onderzoekers niet altijd in staat om de ultrasnelle reacties te observeren die de juiste veranderingen in de atomaire structuur van een materiaal mogelijk maken (of welke aspecten van de reactie mogelijk onzuiverheden hebben geïntroduceerd). Dit is waar computersimulaties van pas kunnen komen, maar het simuleren van het gedrag van een dynamisch systeem zoals een vloeistof is niet zonder complicaties.

“Het probleem om zoiets te beschrijven, is dat je moleculaire dynamica (MD) -simulaties moet toepassen om de juiste bemonstering te krijgen,” zei Andersen. “Dan is er natuurlijk de systeemgrootte – je moet een systeem hebben dat groot genoeg is om het gedrag van de vloeistof nauwkeurig te simuleren.” In tegenstelling tot experimenten bieden moleculaire dynamica-simulaties onderzoekers de mogelijkheid om gebeurtenissen op atomaire schaal vanuit verschillende hoeken te bekijken of de simulatie te pauzeren om zich op verschillende aspecten te concentreren.

Hoewel MD-simulaties onderzoekers inzichten bieden in de beweging van individuele atomen en chemische reacties die tijdens experimenten niet konden worden waargenomen, hebben ze hun eigen uitdagingen. De belangrijkste daarvan is het compromis tussen nauwkeurigheid en kosten. Als je vertrouwt op nauwkeurige ab initio-methoden om de MD-simulaties aan te sturen, is het extreem rekenkundig duur om simulaties te krijgen die groot genoeg zijn en lang genoeg duren om deze reacties nauwkeurig op een zinvolle manier te modelleren.

Andersen en haar collega’s gebruikten voor de recente simulaties ongeveer 2500 cores op JUWELS in perioden van meer dan een maand. Ondanks de enorme rekeninspanning kon het team nog steeds slechts ongeveer 1.500 atomen simuleren in picoseconden. Hoewel dit misschien bescheiden aantallen klinkt, behoorden deze simulaties tot de grootste die zijn gedaan van ab initio MD-simulaties van grafeen op vloeibaar koper. Het team gebruikt deze zeer nauwkeurige simulaties om goedkopere methoden te ontwikkelen om de MD-simulaties aan te sturen, zodat het mogelijk wordt om grotere systemen en langere tijdschalen te simuleren zonder afbreuk te doen aan de nauwkeurigheid.

Versterking van schakels in de keten

Het team publiceerde zijn recordbrekende simulatiewerk in de Tijdschrift voor Chemische Fysica, gebruikten vervolgens die simulaties om te vergelijken met experimentele gegevens die waren verkregen in hun meest recente artikel, dat verscheen in ACS Nano.

Andersen gaf aan dat de huidige generatie supercomputers, zoals JUWELS en SuperMUC-NG, het team in staat stelden zijn simulatie uit te voeren. Machines van de volgende generatie zouden echter nog meer mogelijkheden bieden, omdat onderzoekers sneller grotere aantallen of systemen over langere tijd zouden kunnen simuleren.

Andersen behaalde haar Ph.D. in 2014, en gaf aan dat het onderzoek naar grafeen in dezelfde periode is geëxplodeerd. “Het is fascinerend dat het materiaal zo’n recent onderzoeksfocus is – het is bijna ingekapseld in mijn eigen wetenschappelijke carrière dat mensen er goed naar hebben gekeken,” zei ze. Ondanks de behoefte aan meer onderzoek naar het gebruik van vloeibare katalysatoren om grafeen te produceren, gaf Andersen aan dat de tweeledige benadering van het gebruik van zowel HPC als experiment essentieel zou zijn voor de verdere ontwikkeling van grafeen en, op zijn beurt, het gebruik in commerciële en industriële toepassingen. “In dit onderzoek is er een geweldige wisselwerking tussen theorie en experiment, en ik heb aan beide kanten van dit onderzoek gestaan”, zei ze.