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El equipo gana el finalista del premio Gordon Pell

imagen: El equipo de Oleynik simuló una onda de choque dividida elástica inelástica que se movía a través de un diamante de cristal único.
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Crédito: Jonathan Wellman, Laboratorio de simulación de materiales, Grupo Oleynik en USF

¿Son los diamantes más fuertes de lo que imaginamos? ¿Pueden aparecer otras fases del diamante cuando los diamantes se someten a tensiones severas? El equipo utilizó descripciones de interacciones entre átomos aprendidas por máquina en una supercomputadora de 200 petaflops. Departamento de Energía de EE. UU.s (dos) Laboratorio Nacional Oak Ridge (ORNL) para modelar más de mil millones de átomos de carbono con precisión cuántica y observar cómo se comportan los diamantes bajo algunas de las presiones y temperaturas más extremas imaginables. Los resultados son increíbles.

El equipo fue dirigido por científicos de la Universidad del Sur de Florida (USF), los Laboratorios Nacionales Sandia del Departamento de Energía (Sandia), el Centro Nacional de Investigación Energética y Computación Científica (NERSC) del Departamento de Energía y NVIDIA. Los investigadores encontraron que, en condiciones extremas, la onda de choque comprime con fuerza el diamante a medida que pasa y lo obliga a romperse bajo presión.

El estudio ayudará a los científicos a comprender mejor cómo se comporta el carbono en condiciones extremas. Esta comprensión es esencial para la fusión inercial, en la que el combustible de hidrógeno se mantiene dentro de la cápsula de diamante y las reacciones de fusión nuclear se inician al comprimir la capa de diamante colapsada. También es importante para revelar la estructura interna de los planetas ricos en carbono, como Urano, y los planetas exteriores ricos en carbono. Los exoplanetas se encuentran alrededor de estrellas fuera de nuestro sistema solar y las observaciones indican que podrían ser ricos en diamantes y sílice.

«Las observaciones han demostrado que algunos exoplanetas están formados por componentes ricos en carbono, como el metano, que, bajo presión, se convierte en diamante», dijo Ivan Oleinik, profesor de física de la USF e investigador principal del proyecto. «Para comprender la estructura de estos exoplanetas, los científicos deben comprender el comportamiento del carbono en condiciones extremas».

Los científicos creían que bajo temperaturas y presiones extremas, los diamantes podrían experimentar una flexibilidad similar a los metales. Pero resulta que los diamantes experimentan un comportamiento frágil mientras mantienen su fuerza excepcional. El equipo descubrió que estas grietas se curan mediante la formación de carbono amorfo. Este carbono finalmente se convierte en regiones de diamante hexagonal, lo que explica el mecanismo detrás de la fuerza del diamante.

Para este trabajo, el equipo fue seleccionado como uno de los finalistas del premio Gordon Bell Society of Computing Machinery. Este premio se otorga todos los años desde 1987 en Conferencia Internacional sobre Computación, Redes, Almacenamiento y Análisis de Alto Rendimiento (CAROLINA DEL SUR). Reconoce los logros sobresalientes en la aplicación de la computación de alto rendimiento (HPC) a los desafíos en ciencia, ingeniería y análisis de datos a gran escala. el equipo Los resultados se mostrarán en SC21, programado del 14 al 19 de noviembre de 2021, en St. Louis, Missouri.

Los diamantes toman calor

Experiencias en Sandia Z. Instalación de energía pulsada Y en el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore (LLNL), instalaciones capaces de crear decenas de millones de atmósferas, o cientos de millones de libras por pulgada cuadrada, los diamantes han demostrado que los diamantes conservan una resistencia extremadamente alta incluso cuando se someten a una presión y calentamiento tremendos. Conserva esta fuerza hasta el estado en que debería comenzar a derretirse. Estos experimentos involucraron presiones superiores a varios millones de atmósferas. Sin embargo, ha habido controversia sobre lo que realmente les sucede a los diamantes bajo presiones tan extremas.

«Cuando los diamantes se cargan con una presión tremenda, se suponía que debían convertirse en un estado similar al plástico. Pero sabemos que los diamantes son frágiles y no se comportan de esa manera». Nuestras simulaciones revelaron un mecanismo inesperado de deformaciones inelásticas. Los diamantes se agrietan cuando son comprimidos por las ondas de choque masivas generadas en estas gigantescas instalaciones de presión. Estas grietas luego se reparan durante el estado de carbono amorfo dentro de estas grietas. Luego le sigue la recristalización a fallas de apilamiento hexagonales a medida que se desplazan los niveles atómicos, en comparación con los de los cristales de diamante ideales «.

En estas condiciones extremas, los átomos se presionan entre sí con tanta fuerza que solo la mecánica cuántica, que describe cómo se comportan los materiales a nivel atómico, puede proporcionar una imagen suficientemente detallada de cómo interactúan entre sí. Pero usar la mecánica cuántica para estudiar la dinámica de los átomos es computacionalmente costoso.

«Si desea simular algo cercano a escalas de tiempo y longitud experimentales, como micrómetros y nanosegundos, necesita millones en lugar de miles de millones de átomos y millones de pasos de dinámica molecular. Pero con la mecánica cuántica, la mayor cantidad de partículas que puede hacer son solo 1000 átomos. El mayor número de pasos es 10,000 «.

El equipo ha logrado un progreso significativo en la descripción precisa de cómo interactúan los átomos de carbono bajo una enorme presión y temperatura. El equipo tomó las huellas digitales de cada átomo del diamante utilizando un conjunto deDescriptores, que luego se utilizó para crear una representación precisa de la energía potencial del sistema utilizando potentes técnicas de aprendizaje automático. Este innovador enfoque de aprendizaje automático permitió al equipo hacer predicciones de la dinámica a escala atómica de mil millones de átomos con una precisión de hasta el 3 por ciento en comparación con cálculos mecánicos cuánticos de alta precisión.

Las GPU iluminan las propiedades de los nuevos diamantes

El estudiante de doctorado Jonathan Wellman y el becario postdoctoral Ken Nguyen-Kong, ambos del grupo Oleynik de la USF, realizaron simulaciones en Summit utilizando una muestra de mil millones de átomos en el dispositivo completo durante 24 horas.

«La simulación de miles de millones de átomos en esta escala de tiempo nanométrica solo se puede hacer en la parte superior. La aceleración de la GPU fue la clave para lograr estos resultados», dijo Oleynik. «Nuestro equipo logró un gran avance en el algoritmo que permitió que el código habilitado para GPU se ejecutara 100 veces más rápido que en dispositivos que solo tienen CPU».

En su simulación de mil millones de átomos, el equipo observó por primera vez la propagación de ondas de choque en diamantes de un micrómetro de espesor a alta resolución, hasta la escala atómica. Esto permitió al equipo observar los detalles de la fractura y reparación del diamante, así como los complejos patrones de interferencia generados por múltiples ondas de sonido locales iniciadas en los bordes de la grieta.

«No habíamos podido ver esto antes porque nunca habíamos hecho una simulación tan grande», dijo Oleynik. La sección transversal de la muestra de diamante que el equipo utilizó en sus simulaciones es de 100 x 100 nanómetros de longitud y 1 micrón, o 1.000 nanómetros, de longitud.

«Ejecutar simulaciones a una escala tan grande es importante porque ahora podemos lograr una alta precisión y podemos decir con certeza que nuestros resultados están cerca de la realidad», dijo Oleynik.

Alcanzando una etapa desconocida del carbono

Gracias a Summit, el equipo también tiene una mejor comprensión de por qué los diamantes no se transforman en la llamada etapa BC8 de alta presión y la etapa posterior al diamante en pruebas multimillonarias en la Instalación Nacional de Ignición (NIF) de LLNL.

«Estos experimentos siguieron el pensamiento tradicional de un cambio coordinado de átomos de la red de diamantes a los de la fase BC8. Tal cambio de fase requiere superar una enorme energía», dijo Oleynik. «Nuestra hipótesis, que está brillantemente confirmada en nuestros mil millones de átomos simulación, es que el carbono amorfo de tipo líquido puede facilitar la nucleación de BC8. Esto proporciona una vía viable para la síntesis posterior al diamante. Dentro del programa NIF Discovery Science, estamos trabajando con nuestros colaboradores experimentales para confirmar nuestras predicciones «.

El equipo planea extender sus simulaciones a sistemas más grandes de hasta un billón de átomos utilizando sistemas emergentes HPC de exaescala. Incluyen la primera supercomputadora de exaescala del país, frontera En el Instalaciones de computación de conducción de Oak Ridge(OLCF), Departamento de Energía oficina de ciencias Instalación de usuario ubicada en ORNL.

«Una simulación como esta en el Tour of the Force proporcionará una visión más profunda de un misterio lluvia de diamantes Cuando el metano se comprime dentro de los gigantes de hielo Urano y Neptuno «, dijo Oleinik.» La belleza de esta simulación es que podemos ver cómo la naturaleza responde a estas presiones y temperaturas extremas a nivel atómico. También podemos ver cómo los movimientos atómicos individuales se combinan en un comportamiento macroscópico colectivo, que luego se puede observar en los experimentos más recientes «.

Los miembros del equipo incluyen a Jonathan Wellman de la USF, Ken Nguyen Kung e Ivan Oleinik de la USF. Stan Moore, Mitchell Wood y Aidan Thompson de Sandia; Rahulkumar Gayatri de NERSC; y Evan Weinberg de NVIDIA.

Sandia es un laboratorio multifunción operado y operado por National Technology and Engineering Solutions de Sandia, LLC, una subsidiaria de propiedad absoluta de Honeywell International, Inc. , la Administración Nacional de Seguridad Nuclear (NNSA) del Departamento de Energía.

La investigación cuenta con el apoyo de la NNSA. Proyecto de Computación Exascale, un esfuerzo de colaboración entre la Oficina de Ciencias del Departamento de Energía y la NNSA; y el Desafío de Investigación en Computación Científica Avanzada del DOE, Desafío de Computación e Impacto de Computación Innovadora y Nueva en los Premios de Teoría y Experimento. Esta búsqueda utilizó recursos de NERSC y OLCF.

Artículos Relacionados: Nguyen Kong, Kane, Jonathan T. Wellman, Stan J. Moore, Anatoly P. Belonushko, Rahulkumar Gayatri, Evan Weinberg, Mitchell A. Wood, Aidan B. Thompson y Evan A. Olinick. «Simulaciones de dinámica molecular de mil millones de átomos de carbono en condiciones extremas y escalas de tiempo y duración experimentales». El documento se presentará en SC21: Conferencia internacional sobre computación de alto rendimiento, redes, almacenamiento y análisis, St. Louis, Missouri, noviembre de 2021.


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