科学家们阿尔贡领导计算设施(ALCF)已经确定了一种在宏观尺度上具有超润滑性的材料。利用Mira超级计算机进行的计算机模拟帮助推进了一种近乎无摩擦材料的设计。ALCF是美国能源部科学用户设施办公室。欧洲杯线上买球
上图:这一大规模模拟描述了一种叫做超润滑的现象，或一种极低摩擦的状态。模拟结果显示，当石墨烯原子自组装成一个管状支架，减少接触面积和摩擦时，这种情况起源于纳米尺度。下图:在这张超润滑系统示意图中，金代表纳米金刚石颗粒;欧洲杯猜球平台蓝色是石墨烯纳米卷轴;绿色表示二氧化硅上的石墨烯;黑色的结构是类金刚石碳界面。资料来源:阿贡国家实验室的Sanket Deshmukh、Joseph Insley和Subramanian Sankaranarayanan
当Argonne的研究人员Sanket Deshmukh评估一种潜在的新型润滑剂材料的模拟结果时，他观察到一种以前从未见过的新现象。
“我记得桑吉特打电话给我说，‘你一定要过来看看这个。我想给你看一些非常酷的东西’，”领导ALCF模拟工作的Argonne计算纳米科学家Subramanian Sankaranarayanan说。
计算机模拟揭示了惊人的信息。当石墨烯和类金刚石(DLC)这两种润滑欧洲杯足球竞彩材料相互滑动时，石墨烯会卷起来，形成中空的圆柱形“卷轴”，有助于大幅减少摩擦。这些纳米卷轴象征着一种新型的超润滑机制，在这种状态下几乎不存在摩擦。
“纳米卷轴与滚珠轴承通过在表面之间制造分离来对抗摩擦的方式非常相似，”今年1月在阿贡完成博士后工作的德什穆克说。
一辆汽车大约三分之一的燃料消耗用于克服摩擦。因此，超润滑在这个行业是非常需要的。不断的摩擦磨损了机械部件，降低了它们的寿命，这是一个超级润滑可以解决的问题。
在这项计算工作完成之前，阿贡的科学家Ali Erdemir, Diana Berman和Anirudha Sumant在阿贡的纳米尺度材料中心和摩擦学实验室进行了混合材料实验。欧洲杯足球竞彩在他们的实验中，小块石墨烯贴片在涂有DLC的钢球上滑动。
用石墨烯-DLC组合观察到非常低的摩擦系数。然而，他们观察到，摩擦水平波动由于未知的原因。此外，他们观察到，在潮湿的条件下，摩擦系数增加到在干燥环境中测量的摩擦系数的水平约为100倍。
该团队与Deshmukh和Sankaranarayanan合作进行计算工作。实验条件在ALCF的每秒10千万亿次的IBM蓝色基因/Q超级计算机Mira上进行了复制。进行了大规模的分子动力学模拟，找出了超润滑的机理。
研究小组发现了这些石墨烯纳米卷轴，它们的不稳定性有助于解释这种材料摩擦水平的波动。观察到一个重复的模式，在空心纳米卷形成，但随后崩溃由于负载的压力。
“在滚动形成发生的那一刻，摩擦浸入了非常低的值，然后当石墨烯斑块处于未识别状态时，它将跳回到更高的值”Deshmukh说。
为了克服这个问题，该团队包括模拟中的纳米金刚胺颗粒，以确定纳米筒是否可以稳定并更加永久性。欧洲杯猜球平台模拟表明，围绕纳米金刚石卷起的石墨烯贴片，滚动在其位置。这提供了持续的超级润滑性。在使用Nanodiamonds的新实验中，仿真结果证实了发现。
Sankaranarayanan评论：
这一特殊发现的美妙之处在于，我们第一次在宏观尺度上看到了持续的超润滑，证明了这一机制可以在工程规模上用于现实世界的应用。这项合作努力是计算如何帮助设计和发现新材料的一个完美例子。欧洲杯足球竞彩
然而，纳米金刚石的加入并没有解决水对这种材料的影响。水抑制了涡旋的形成，增加了石墨烯对表面的附着力。尽管这大大减少了这种材料的各种可能应用，但它在干燥环境中保持超润滑性的能力仍然是一个重要的突破。
这种混合材料具有在干燥环境中的各种应用的承担，包括风力涡轮机齿轮，计算机硬盘和用于纳米机电和微机电系统的机械旋转密封。此外，该材料可以通过滴铸件施加，这是一种经济有效的沉积方法。将溶液中欧洲杯足球竞彩的材料喷涂到移动机械部件，并在蒸发后，一侧留在一侧，而纳米金刚石和石墨烯留在另一侧。
纳米滚动机制有望引起未来开发超润滑应用所需材料的努力。欧洲杯足球竞彩阿贡团队正在继续他们的计算研究，以找到克服水所面临的问题的方法。
“我们正在探索不同的表面功能化，看看我们是否可以结合一些疏水的东西，将水拒之门外，”Sankaranarayanan领导说。“只要你能防水，石墨烯纳米卷轴也可以在潮湿的环境中工作。”
Mira超级计算机在发现纳米筒的发现中发挥着关键作用。对于潮湿环境，研究人员必须模拟高达1000万原子，以及他们必须模拟高达120万原子的干燥环境。
为了执行计算要求苛刻的反应性分子动力学模拟，利用大规模原子/分子量平行模拟器（LAMMPS）代码。计算科学家使用ALCF催化剂来解决他们面临的代码的Reaxff模块的性能瓶颈。该模块是建模系统中发生的化学反应所必需的附加包。
通过添加OpenMP线程，LAMMPS和ReaxFF实现得到了优化，MPI集合被用来代替MPI点对点通信，并利用了MPI I/O。这种优化是由ALCF催化剂、IBM、桑迪亚国家实验室和劳伦斯伯克利国家实验室合作完成的。代码的执行速度是以前的两倍。
“有了适当的代码优化，我们就能够更准确地模拟真实实验系统中的现象，”Deshmukh说。“米拉的模拟向我们展示了在实验室测试中无法看到的一些惊人的事情。”
Sankaranarayanan大大预计未来的研究可能与ALCF的下一代超级计算机极光无光。
“考虑到像极光这样的计算资源的出现，以及可用的二维材料和纳米颗粒类型的广泛范围，我们设想在未来的某个时候创造一个润滑剂基因组，”欧洲杯足球竞彩他说。“有了这样一个材料数欧洲杯足球竞彩据库，我们就可以根据特定的操作条件挑选润滑剂材料。”
这项研究的结果发表在《科学快讯》杂志上，题为《石墨烯纳米卷轴形成的宏观超润滑性》。欧洲杯线上买球
DOE的“对理论和实验的创新和新颖的计算影响”（煽动）计划分配了ALCF项目所需的计算时间。
其他研究人员促成优化代码包括克里斯骑士，尼古尔斯A.罗梅罗和魏江从ALCF;来自桑迪亚国家实验室的Tzu-ray Shan;Hasan Metin Aktulga来自劳伦斯伯克利国家实验室（现在在密歇根州立大学）;和Paul Coffman来自IBM。