تولید گرافن در مقیاس صنعتی: محاسبات با عملکرد بالا به اصلاح فرآیند برای بهبود کارایی کمک می کند

منتشر‌شده در: scitechdailyبه تاریخ ۱۱ ژوئن ۲۰۲۱
لینک منبع Producing Graphene at Industrial Scale: High-Performance Computing Helps Refine Process for Improved Efficiency

گرافن ممکن است یکی از هیجان‌انگیزترین اکتشافات علمی قرن گذشته باشد. در حالی که برای ما-گرافن به طور قابل‌توجهی آشنا است، به عنوان یک آلوتروپ کربن در نظر گرفته می‌شود، به این معنی که اساسا همان ماده گرافیت است اما در یک ساختار اتمی متفاوت-گرافن دنیای جدیدی از احتمالات را برای طراحی و ساخت فن‌آوری‌های جدید باز کرده‌است.

این ماده دو بعدی است، به این معنی که هر «ورقه» گرافن تنها ۱ اتم ضخامت دارد، اما پیوندهای آن آن را به اندازه برخی از سخت‌ترین آلیاژهای فلزی جهان قوی می‌کند، در حالی که سبک‌وزن و انعطاف‌پذیر باقی می‌ماند. این ترکیب ارزشمند و منحصر به فرد از خواص، توجه دانشمندان را از طیف گسترده‌ای از زمینه‌ها به خود جلب کرده‌است که منجر به تحقیقات در زمینه استفاده از گرافن برای الکترونیک نسل آینده، پوشش‌های جدید بر روی ابزارها و ابزارهای صنعتی و فن‌آوری‌های جدید زیست پزشکی شده‌است.

شاید پتانسیل عظیم گرافن باشد که در نتیجه باعث یکی از بزرگ‌ترین چالش‌های آن شده‌است-تولید گرافن در حجم‌های بزرگ دشوار است و تقاضا برای ماده به طور مداوم در حال افزایش است. تحقیقات اخیر نشان می‌دهد که استفاده از کاتالیزور مس مایع ممکن است یک روش سریع و موثر برای تولید گرافن باشد، اما محققان تنها درک محدودی از تعاملات مولکولی دارند که در طول این لحظات کوتاه و پر هرج و مرج رخ می‌دهد که منجر به تشکیل گرافن می‌شود، به این معنی که آن‌ها هنوز نمی‌توانند از این روش برای تولید صفحات گرافینی بدون عیب و نقص استفاده کنند.

به منظور پرداختن به این چالش‌ها و کمک به توسعه روش‌ها برای تولید سریع‌تر گرافن، گروهی از محققان در دانشگاه فنی مونیخ (TUM) از سیستم‌های محاسباتی با عملکرد بالا JUWELS و سوپرمودوک-ان جی پی (شورای عالی صلح) در مرکز ابرمحاسبات ژولیش (JSC) و مرکز ابرمحاسبات لایبنیتز (LRZ) برای اجرای شبیه‌سازی‌های با وضوح بالا از تشکیل گرافن بر روی مس مایع استفاده کرده‌اند.

پنجره‌ای به آزمایش

جاذبه گرافن در درجه اول از ساختار بلوری کاملا یکنواخت ماده ناشی می‌شود، به این معنی که تولید گرافن با ناخالصی‌ها باعث به هدر رفتن آن می‌شود. برای تنظیمات آزمایشگاهی یا شرایطی که در آن تنها مقدار کمی از گرافن مورد نیاز است، محققان می‌توانند با استفاده از تکنیکی که شبیه به روشی است که فرد از نوار چسب یا چسب دیگر برای کمک به حذف موی حیوانات خانگی از لباس استفاده می‌کند، یک قطعه نوار چسب را بر روی یک کریستال گرافیت قرار دهند و لایه‌های اتمی گرافیت را «جدا کنند». در حالی که این روش به طور قابل اعتمادی لایه‌های گرافینی بدون عیب تولید می‌کند، این فرآیند برای ایجاد گرافن برای کاربردهای در مقیاس بزرگ کند و غیر عملی است.

صنعت نیازمند روش‌هایی است که بتوانند گرافن با کیفیت بالا را سریع‌تر و ارزان‌تر تولید کنند. یکی از روش‌های امیدوارکننده بررسی شامل استفاده از کاتالیزور فلز مایع برای تسهیل خودمونتاژی اتم‌های کربن از پیش سازهای مولکولی به یک صفحه گرافن منفرد است که در بالای فلز مایع رشد می‌کند. در حالی که مایع توانایی افزایش تولید گرافن را به طور موثر دارد، همچنین مجموعه‌ای از مشکلات را معرفی می‌کند، مانند دمای بالا مورد نیاز برای ذوب فلزات معمول مورد استفاده، مانند مس. هنگام طراحی مواد جدید، محققان از آزمایش‌ها برای مشاهده چگونگی برهمکنش اتم‌ها تحت شرایط مختلف استفاده می‌کنند. در حالی که پیشرفت‌های فن‌آوری راه‌های جدیدی را برای کسب بینش در مورد رفتار در مقیاس اتمی حتی در شرایط شدید مانند درجه حرارت بسیار بالا باز کرده است، اما تکنیک‌های آزمایشی همیشه به محققان امکان مشاهده واکنش‌های بسیار سریع را نمی‌دهد که تغییرات صحیح ساختار اتمی یک ماده را تسهیل می‌کند. (یا چه جنبه‌هایی از واکنش ممکن است ناخالصی ایجاد کند). این جایی است که شبیه‌سازی‌های کامپیوتری می‌توانند کمک کنند، با این حال، شبیه‌سازی رفتار یک سیستم دینامیک مانند یک مایع بدون مجموعه‌ای از مشکلات خودش نیست.

اندرسن گفت: « مشکلی که چنین چیزی را توصیف می‌کند این است که شما باید شبیه‌سازی‌های دینامیک مولکولی (MD) را برای نمونه‌گیری درست به کار ببرید.» « البته پس از آن، اندازه سیستم وجود دارد-شما باید یک سیستم به اندازه کافی بزرگ داشته باشید تا رفتار مایع را به طور دقیق شبیه‌سازی کنید.» برخلاف آزمایش‌ها، شبیه‌سازی‌های دینامیک مولکولی به محققان این توانایی را می‌دهند تا به رویدادهایی که در مقیاس اتمی از زوایای مختلف رخ می‌دهند، نگاه کنند و یا شبیه‌سازی را متوقف کنند تا بر جنبه‌های مختلف تمرکز کنند.

در حالی که شبیه‌سازی‌های MD، بینشی را در مورد حرکت اتم‌های منفرد و واکنش‌های شیمیایی که در طول آزمایش‌ها قابل‌مشاهده نیستند، به محققان ارائه می‌دهند، آن‌ها چالش‌های خود را دارند. مهم‌ترین آن‌ها سازگاری بین دقت و هزینه است-زمانی که به روش‌های اولیه دقیق برای اجرای شبیه‌سازی MD تکیه می‌کنیم، به دست آوردن شبیه‌سازی که به اندازه کافی بزرگ باشد و به اندازه کافی طولانی باشد تا به طور دقیق این واکنش‌ها را به شیوه‌ای معنی‌دار مدل کند، از نظر محاسباتی بسیار گران است.

اندرسن و همکارانش از حدود ۲۵۰۰ هسته در JUWELS در دوره‌های کششی بیش از یک ماه برای شبیه‌سازی‌های اخیر استفاده کردند. با وجود محاسبات گسترده، این تیم هنوز هم تنها می‌تواند حدود ۱۵۰۰ اتم را در طول زمان شبیه‌سازی کند. اگرچه به نظر می‌رسد این رقم نسبتاً متوسط ​​باشد، اما این شبیه‌سازی از بزرگترین شبیه‌سازی‌های گرافن روی مس مایع در آزمایشگاه اولیه بود. این تیم از این شبیه‌سازی‌های بسیار دقیق برای کمک به توسعه روش‌های ارزان‌تر برای شبیه‌سازی MD استفاده می‌کند به طوری که امکان شبیه‌سازی سیستم‌های بزرگ‌تر و بازه‌های زمانی طولانی‌تر بدون به خطر انداختن دقت شبیه‌سازی وجود دارد.

تقویت پیوندها در زنجیره

این تیم کار شبیه‌سازی شکستن رکورد خود را در مجله فیزیک شیمیایی منتشر کرد، سپس از آن شبیه‌سازی‌ها برای مقایسه با داده‌های تجربی به‌دست‌آمده در آخرین مقاله خود، که در ACS Nano ظاهر شد، استفاده کرد.

اندرسن اشاره کرد که ابرکامپیوترهای نسل فعلی، مانند JUWELS و سوپرموکو-NG، این تیم را قادر ساختند تا شبیه‌سازی خود را اجرا کند. با این حال، ماشین‌های نسل آینده، امکانات بیشتری را باز خواهند کرد، زیرا محققان می‌توانند به سرعت بیشتری تعداد یا سیستم‌های بزرگ‌تر را در دوره‌های زمانی طولانی‌تر شبیه‌سازی کنند.

اندرسن در سال ۲۰۱۴ مدرک دکترای خود را دریافت کرد و نشان داد که تحقیقات گرافن در طول همین دوره گسترش پیدا کرده‌است. وی گفت: «جالب است كه این مطالب اخیراً مورد توجه پژوهش قرار گرفته باشد - این تقریباً در حرفه علمی من محصور شده است كه مردم از نزدیک به آن نگاه كرده‌اند.» علی‌رغم نیاز به تحقیقات بیشتر در مورد استفاده از کاتالیزور مایع برای تولید گرافن، اندرسن نشان داد که رویکرد دو وجهی استفاده از شورای عالی صلح و آزمایش برای توسعه بیشتر گرافن و به نوبه خود استفاده در کاربردهای تجاری و صنعتی ضروری خواهد بود. او گفت: « در این تحقیق، اثر متقابل بزرگی بین نظریه و آزمایش وجود دارد، و من در هر دو طرف این تحقیق بوده‌ام.»

این متن با استفاده از ربات مترجم مقالات علمی ترجمه شده و به صورت محدود مورد بازبینی انسانی قرار گرفته است.در نتیجه می‌تواند دارای برخی اشکالات ترجمه باشد.

مقالات لینک‌شده در این متن می‌توانند به صورت رایگان با استفاده از مقاله‌خوان ترجمیار به فارسی مطالعه شوند.