通过高性能计算和实验,研究人员继续完善石墨烯生产

石墨烯MD仿真的快照
信贷:圣地亚哥Cingolani

来自慕尼黑技术大学的研究人员一直在使用GCS HPC资源,以开发在工业规模的生产石墨烯的更有效方法。

石墨烯可能是上世纪最令人兴奋的科学发现之一。虽然它对美国 - 石墨烯熟悉的是被认为是碳的同类型,这意味着它与石墨具有基本上相同的物质,但在不同的原子结构中,石墨烯也开辟了新的设计和建立新技术的新世界。

材料是二维的,这意味着石墨烯的每个“薄片”只有1个原子厚,但其粘合剂使其成为世界上一些最硬的金属合金的粘合剂,同时保持轻质和灵活。这种有价值的,独特的物业混合在广泛的领域激起了科学家的兴趣,导致研究使用Graphene为下一代电子产品,工业仪器和工具的新涂料以及新的生物医学技术。

它可能是石墨烯的巨大潜力,因此导致其最大的挑战之一 - 石墨烯难以产生大量的大量,并且对材料的需求不断增长。最近的研究表明,使用液体铜催化剂可以是生产石墨烯的快速,有效的方式,但研究人员只有有限地了解在这些简短的情况下发生的分子相互作用,这导致石墨烯形成的混乱时刻,这意味着它们尚未使用该方法可靠地生产完美的石墨烯片。

为了解决这些挑战并帮助开发更快石墨烯生产的方法,慕尼黑工业大学(TUM)的一个研究团队一直在使用Jülich超级计算中心(JSC)和莱布尼茨超级计算中心(LRZ)的JUWELS和supermu - ng高性能计算(HPC)系统来运行液态铜上石墨烯形成的高分辨率模拟。

一个窗户进入实验

石墨烯的吸引力主要来自这种材料完美均匀的晶体结构,这意味着制造含有杂质的石墨烯是白费力气。实验室设置或情况下,只需要少量的石墨烯,研究人员可以将一块透明胶带在石墨晶体和石墨的“皮”原子层使用一种技术,它类似于一个如何使用胶带或其他粘合剂来帮助消除宠物的头发从服装。虽然这种方法可以可靠地制造出完美的石墨烯层,但对于大规模应用而言,这一过程既缓慢又不切实际。

工业需要能够以更低的成本和更快的速度可靠地生产高质量石墨烯的方法。目前正在研究的一种更有前景的方法是使用液态金属催化剂,促进碳原子从分子前驱体自组装成生长在液态金属上的单个石墨烯薄片。虽然这种液体能够有效地扩大石墨烯的生产规模,但它也引入了许多复杂因素,比如熔化铜等典型金属所需的高温。在设计新材料时,研究人员通过实验来观察原子在各种条件下是如何相互作用的。虽然技术进步为了解原子尺度的行为开辟了新途径,即使是在极端条件下,比如非常高的温度,实验技术并不总是能让研究人员观察到加速材料原子结构正确变化的超快速反应(或者反应的哪些方面可能引入了杂质)。这就是计算机模拟可以提供帮助的地方,然而,模拟一个动态系统(如液体)的行为并不是没有它自己的一组复杂因素。

Andersen说:“描述任何类似情况的问题是,你需要应用分子动力学(MD)模拟来获得正确的采样。”“当然,还有系统的尺寸——你需要有一个足够大的系统来精确模拟液体的行为。”与实验不同的是,分子动力学模拟使研究人员能够从不同的角度观察发生在原子尺度上的事件,或者暂停模拟以关注不同的方面。

虽然MD模拟为研究人员提供了在实验期间无法观察到的单个原子和化学反应的洞察力,但他们确实有自己的挑战。他们的首席是准确性和成本之间的妥协 - 当依赖于准确的AB Initio方法来驱动MD模拟时,可以获得足够大的模拟并且足够长的仿真来准确地模拟这些反应以有意义的方式来准确模拟这些反应是非常昂贵的。

在最近的模拟中,安德森和她的同事在一个多月的时间里使用了JUWELS上的大约2500个核。尽管进行了大量的计算,该团队仍然只能在皮秒的时间内模拟大约1500个原子。虽然这些数字听起来不大,但这些模拟是石墨烯在液态铜上从头算MD模拟中规模最大的。该团队使用这些高度精确的模拟来帮助开发更便宜的方法来驱动MD模拟,这样就可以在不影响精度的情况下模拟更大的系统和更长的时间尺度。

加强链条中的联系

该团队在《化学物理杂志》(Journal of Chemical Physics)上发表了其破纪录的模拟工作,然后用这些模拟与他们在《科学》杂志上发表的最新论文中获得的实验数据进行了比较ACS Nano

Andersen表示,当前生成的超级计算机(例如juwels和supermuc-ng),使团队能够运行其模拟。然而,下一代机器将打开更多的可能性,因为研究人员可以更快地模拟更大的数量或更长的时间。

安德森于2014年获得了博士学位,并表示石墨烯研究在同一时期爆炸。“令人着迷的是,这些材料是最近的研究重点 - 在我自己的科学职业中几乎封装了人们仔细看着它,”她说。尽管需要更多研究使用液体催化剂来生产石墨烯,但是Andersen表明,使用HPC和实验的双管齐下的方法对于进一步的石墨烯的发展至关重要,并且反过来在商业和工业应用中使用。“在这项研究中,理论与实验之间存在很大的相互作用,我一直在这项研究的两侧,”她说。

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juwels和supermuc-ng的资金由巴伐利亚州科学和艺术部提供,文化部,北莱茵 - 威斯特法伦州的国家部,以及德国联邦教育和研究,通过高斯中心进行超级计算(GCS)。

媒体联系人

Eric Gedenk
高斯超级计算中心

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