La nieve cae en invierno y se derrite en primavera, pero ¿qué impulsa el cambio de fase en el medio?
Aunque la fusión es un fenómeno familiar que se encuentra en la vida cotidiana, que desempeña un papel en muchos procesos industriales y comerciales, queda mucho por descubrir sobre esta transformación en un nivel fundamental.
En 2015, un equipo dirigido por Sharon Glotzer de la Universidad de Michigan usó la informática de alto rendimiento en el Laboratorio Nacional Oak Ridge del Departamento de Energía DOE para estudiar la fusión en sistemas bidimensionales 2-D, un problema que podríaProporciona información sobre las interacciones de la superficie en materiales importantes para tecnologías como los paneles solares, así como sobre el mecanismo detrás de la fusión tridimensional. El equipo exploró cómo la forma de las partículas afecta la física de una transición de fusión de sólido a fluido en dos dimensiones.
El uso del equipo reveló que la forma y la simetría de las partículas pueden afectar dramáticamente el proceso de fusión. Utilizando la supercomputadora Cray XK7 Titan en la Instalación de Computación de Liderazgo de Oak Ridge OLCF, una Instalación de Usuario de la Oficina de Ciencia del DOE.guiar a los investigadores en busca de nanopartículas con propiedades deseables para aplicaciones energéticas.
Para abordar el problema, el equipo de Glotzer necesitaba una supercomputadora capaz de simular sistemas de hasta 1 millón de polígonos duros, partículas simples utilizadas como sustitutos para los átomos, que van desde triángulos hasta formas de 14 lados. A diferencia de las simulaciones tradicionales de dinámica molecular que intentanPara imitar la naturaleza, las simulaciones de polígonos duros brindan a los investigadores un entorno reducido en el que evaluar la física influenciada por la forma.
"Dentro de nuestro entorno 2-D simulado, encontramos que la transición de fusión sigue uno de tres escenarios diferentes dependiendo de la forma de los polígonos de los sistemas", dijo el científico investigador de la Universidad de Michigan, Joshua Anderson. "Notablemente, encontramos que los sistemascompuesto de hexágonos sigue perfectamente una teoría bien conocida para la fusión en 2-D, algo que no se ha descrito hasta ahora ".
escenarios de cambio de forma
En sistemas tridimensionales como un carámbano adelgazante, la fusión toma la forma de una transición de fase de primer orden. Esto significa que las colecciones de moléculas dentro de estos sistemas existen en forma sólida o líquida sin intermedios en presencia decalor latente, la energía que alimenta un cambio de fase de sólido a fluido. En los sistemas 2-D, como los materiales de película delgada utilizados en baterías y otras tecnologías, la fusión puede ser más compleja, a veces exhibiendo una fase intermedia conocida como hexáticafase.
La fase hexática, un estado caracterizado como un punto medio entre un sólido ordenado y un líquido desordenado, fue teorizada por primera vez en la década de 1970 por los investigadores John Kosterlitz, David Thouless, Burt Halperin, David Nelson y Peter Young. La fase es unacaracterística principal de la teoría KTHNY, una teoría de fusión en 2-D propuesta por los investigadores y nombrada en base a las primeras letras de sus apellidos .En 2016, Kosterlitz y Thouless recibieron el Premio Nobel de Física, junto con el físico Duncan Haldane,por sus contribuciones a la investigación de materiales 2-D.
A nivel molecular, los sistemas sólidos, hexáticos y líquidos están definidos por la disposición de sus átomos. En un sólido cristalino, hay dos tipos de orden: traslacional y orientativo. El orden traduccional describe las rutas bien definidas entre los átomos sobredistancias, como bloques en una torre Jenga cuidadosamente construida. El orden de orientación describe el orden relacional y agrupado compartido entre átomos y grupos de átomos a lo largo de las distancias. Piense en esa misma torre Jenga torcida después de varias rondas de juego. La forma general de la torre permanece, pero su orden ahora está fragmentado.
La fase hexática no tiene un orden de traslación pero posee un orden de orientación. Un líquido no tiene un orden de traslación ni de orientación, pero exhibe un orden de corto alcance, lo que significa que cualquier átomo tendrá un número promedio de vecinos cerca pero sin un orden predecible.
Deducir la presencia de una fase hexática requiere una computadora de clase líder que pueda calcular grandes sistemas de partículas duras. El equipo de Glotzer obtuvo acceso al Titán de 27 petaflop del OLCF a través del innovador y novedoso impacto computacional sobre teoría y experimento INCITE, ejecutando su código azul HOOMD acelerado por GPU para maximizar el tiempo en la máquina.
En Titán, HOOMD-blue utilizó 64 GPU para cada simulación Monte Carlo masivamente paralela de hasta 1 millón de partículas. Los investigadores exploraron 11 sistemas de formas diferentes, aplicando una presión externa para juntar las partículas. Cada sistema fue simulado a 21 densidades diferentes, con las densidades más bajas que representan un estado fluido y las densidades más altas un estado sólido.
Las simulaciones demostraron múltiples escenarios de fusión que dependen de la forma de los polígonos. Los sistemas con polígonos de siete lados o más siguieron de cerca el comportamiento de fusión de los discos duros o círculos, exhibiendo una transición de fase continua desde la fase sólida a la fase hexática y una primera- transición de fase de orden de la fase hexática a la fase líquida. Una transición de fase continua significa un área en constante cambio en respuesta a una presión externa cambiante. Una transición de fase de primer orden se caracteriza por una discontinuidad en la cual el volumen salta a través de la transición de fase enrespuesta al cambio de presión externa. El equipo encontró pentágonos y pentágonos cuádruples, pentágonos irregulares con dos longitudes de borde diferentes, exhiben una transición de fase sólida a líquida de primer orden.
El hallazgo más significativo, sin embargo, surgió de los sistemas hexagonales, que siguieron perfectamente la transición de fase descrita por la teoría KTHNY. En este escenario, las partículas cambian de sólido a hexático y hexático a fluido en un patrón de transición de fase continua perfecta.
"Fue realmente sorprendente que nadie más lo haya encontrado hasta ahora", dijo Anderson, "porque parece natural que el hexágono, con sus seis lados, y la disposición hexagonal en forma de panal de abejas sería una combinación perfecta paraesta teoría "en la cual la fase hexática generalmente contiene seis órdenes de orientación.
El equipo de Glotzer, que recientemente recibió una asignación INCITE 2017, ahora está aplicando su destreza informática de clase líder para abordar las transiciones de fase en 3-D. El equipo se está centrando en cómo las partículas de fluido se cristalizan en coloides complejos, mezclas en las que las partículas sonsuspendido a través de otra sustancia. Los ejemplos comunes de coloides incluyen leche, papel, niebla y vidrieras.
"Estamos planeando usar Titán para estudiar cómo puede surgir la complejidad de estas interacciones simples, y para hacerlo vamos a ver cómo crecen los cristales y estudiar la cinética de cómo sucede eso", dijo Anderson.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por DOE / Laboratorio Nacional de Oak Ridge . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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