Identifizierung einer neuen, saubereren Quelle für weißes Licht

Als frühe Menschen entdeckten, wie man Feuer bändigt, konnten sie sich gegen die nächtliche Dunkelheit wehren, die sie umhüllte. Mit der Erfindung und weit verbreiteten Einführung von Elektrizität wurde es einfacher, Wärme von Licht zu trennen, die Nacht durchzuarbeiten und Eisenbahnwaggons zu Autobahnen zu beleuchten. In den letzten Jahren sind alte Formen der elektrischen Lichterzeugung wie Halogenglühlampen energieeffizienteren Alternativen gewichen, wodurch die Kosten für die Aufhellung unserer Wohnungen, Arbeitsplätze und des Lebens im Allgemeinen weiter gesenkt wurden.

Leider ist die Weißlichterzeugung durch neuere Technologien wie Leuchtdioden (LEDs) nicht einfach und beruht oft auf einer Kategorie von Materialien, die als „Seltenerdmetalle“ bezeichnet werden und immer knapper werden. Dies hat Wissenschaftler kürzlich veranlasst, nach Wegen zu suchen, um weißes Licht nachhaltiger zu erzeugen. Forscher der Universität Gießen, der Universität Marburg und des Karlsruher Instituts für Technologie haben kürzlich eine neue Materialklasse namens „Clusterglas“ entdeckt, die ein großes Potenzial für den Ersatz von LEDs in vielen Anwendungen aufweist.

„Wir sind Zeugen der Geburtsstunde einer Technologie zur Weißlichterzeugung, die aktuelle Lichtquellen ersetzen kann. Sie bringt alle Anforderungen mit, die unsere Gesellschaft stellt: Verfügbarkeit von Ressourcen, Nachhaltigkeit, Biokompatibilität“, sagte Prof. Dr. Simone Sanna, Universitätsprofessorin Gießen und leitender Computerforscher des Projekts.

„Meine Kollegen aus den experimentellen Wissenschaften, die diese unerwartete Weißlichterzeugung beobachteten, baten um theoretische Unterstützung. Clusterglas hat eine unglaubliche optische Reaktion, aber wir verstehen nicht warum. Computergestützte Methoden können helfen, diese Mechanismen zu verstehen Herausforderung, der sich Theoretiker stellen wollen.“

Sanna und seine Mitarbeiter haben sich der Kraft des Hochleistungsrechnens (HPC) zugewandt und den Hawk-Supercomputer am Höchstleistungsrechenzentrum Stuttgart (HLRS) verwendet, um Clusterglas besser zu verstehen und zu verstehen, wie es als Lichtquelle der nächsten Generation dienen könnte . Ihre Ergebnisse veröffentlichten sie in Fortgeschrittene Werkstoffe.

Klarer Blick auf Clusterglasbildung

Wenn Sie kein Materialwissenschaftler oder Chemiker sind, bedeutet das Wort Glas vielleicht nur das klare, feste Material in Ihren Fenstern oder auf Ihrem Esstisch. Glas ist eigentlich eine Klasse von Materialien, die als „amorphe Festkörper“ gelten; Das heißt, ihnen fehlt ein geordnetes Kristallgitter, häufig aufgrund eines schnellen Abkühlungsprozesses. Auf atomarer Ebene befinden sich ihre Bestandteile in einem suspendierten, ungeordneten Zustand. Im Gegensatz zu Kristallmaterialien, bei denen Partikel über einen langen molekularen Abstand geordnet und symmetrisch sind, macht die Unordnung von Gläsern auf molekularer Ebene sie zu einem großartigen Material zum Biegen, Fragmentieren oder Reflektieren von Licht.

Experimentatoren der Universität Marburg haben kürzlich ein spezielles Glas synthetisiert, das als „Cluster-Glas“ bezeichnet wird. Im Gegensatz zu herkömmlichem Glas, das sich fast wie eine an Ort und Stelle eingefrorene Flüssigkeit verhält, ist Clusterglas, wie der Name schon sagt, eine Ansammlung separater Molekülcluster, die sich bei Raumtemperatur wie ein Pulver verhalten. Sie erzeugen bei Bestrahlung mit Infrarotstrahlung helles, klares, weißes Licht. Während Pulver nicht ohne weiteres zur Herstellung kleiner, empfindlicher elektronischer Bauteile verwendet werden können, fanden die Forscher einen Weg, sie in Glasform umzugießen: „Wenn wir das Pulver schmelzen, erhalten wir ein Material, das alle Eigenschaften eines Glases hat und sein kann in jeder Form, die für eine bestimmte Anwendung benötigt wird“, sagte Sanna.

Während Experimentatoren das Material synthetisieren und seine Leuchteigenschaften beobachten konnten, wandte sich die Gruppe an Sanna und HPC, um besser zu verstehen, wie sich Clusterglas so verhält, wie es sich verhält. Sanna wies darauf hin, dass die Erzeugung von weißem Licht keine Eigenschaft eines einzelnen Moleküls in einem System ist, sondern das kollektive Verhalten einer Gruppe von Molekülen. Die Wechselwirkungen dieser Moleküle untereinander und mit ihrer Umgebung in einer Simulation aufzuzeichnen bedeutet daher, dass die Forscher sowohl das großräumige Verhalten der Lichterzeugung erfassen als auch beobachten müssen, wie kleinräumige atomare Wechselwirkungen das System beeinflussen. Jeder dieser Faktoren wäre eine rechnerische Herausforderung. Die Modellierung dieser Prozesse in mehreren Maßstäben ist jedoch nur mit führenden HPC-Ressourcen wie Hawk möglich.

Die Zusammenarbeit zwischen Experimentatoren und Theoretikern wird in der Materialwissenschaft immer wichtiger, da die Synthese vieler Iterationen eines ähnlichen Materials langsam und teuer sein kann. Hochleistungsrechnen, so Sanna, macht es viel schneller, Materialien mit neuartigen optischen Eigenschaften zu identifizieren und zu testen. „Die Beziehung zwischen Theorie und Experiment ist eine kontinuierliche Schleife. Wir können die optischen Eigenschaften eines Materials vorhersagen, das von unseren Chemikerkollegen synthetisiert wurde, und diese Berechnungen verwenden, um die Eigenschaften des Materials zu überprüfen und besser zu verstehen“, sagte Sanna. „Wir können auch neue Materialien auf einem Computer entwerfen und Informationen bereitstellen, die Chemiker verwenden können, um sich auf die Synthese von Verbindungen zu konzentrieren, die höchstwahrscheinlich nützlich sind. Auf diese Weise inspirieren unsere Modelle die Synthese neuer Verbindungen mit maßgeschneiderten optischen Eigenschaften.“

Im Fall von Clusterglas führte dieser Ansatz zu einem Experiment, das durch Simulation verifiziert wurde, wobei die Modellierung half, den Forschern den Zusammenhang zwischen den beobachteten optischen Eigenschaften und der molekularen Struktur ihres Clusterglasmaterials aufzuzeigen und nun als Kandidat voranschreiten zu können um Lichtquellen zu ersetzen, die stark auf Seltenerdmetalle angewiesen sind.

HPC beschleunigt F&E-Zeitpläne

HPC spielt eine wichtige Rolle dabei, Forscher dabei zu unterstützen, den Zeitrahmen zwischen neuen Entdeckungen und neuen Produkten oder Technologien zu verkürzen. Sanna erklärte, dass HPC die Zeit für ein besseres Verständnis von Clusterglas drastisch verkürzt habe. „Wir verbringen viel Zeit mit Simulationen, aber es ist viel weniger, als diese Materialien in der Realität zu charakterisieren“, sagte er. „Die Cluster, die wir modellieren, haben einen rautenförmigen Kern mit 4 daran befestigten Liganden (Molekülketten). Diese Liganden können aus einer beliebigen Anzahl von Dingen bestehen, daher ist es zeitaufwändig, dies in einem Experiment zu tun.“

Sanna wies darauf hin, dass das Team immer noch eingeschränkt ist, wie lange es einzelne Läufe für seine Simulationen durchführen kann. Viele Forschungsprojekte auf Supercomputern können ein komplexes System in viele kleine Teile zerlegen und Berechnungen für jeden Teil parallel durchführen. Sannas Team muss besonders auf die Wechselwirkungen von Partikeln über große Entfernungen in großen Systemen achten, daher sind sie dadurch eingeschränkt, wie viel sie ihre Simulation auf Computerknoten aufteilen können. Er wies darauf hin, dass der regelmäßige Zugriff auf längere Laufzeiten – mehr als einen Tag am Stück auf einem Supercomputer – es dem Team ermöglichen würde, schneller zu arbeiten.

In laufenden Studien zu Clusterglas hofft Sannas Team, den Ursprung seiner lichterzeugenden Eigenschaften gründlich zu verstehen. Dies könnte helfen, weitere neue Materialien zu identifizieren und zu bestimmen, wie Clusterglas am besten in der Lichterzeugung eingesetzt werden kann.

Sanna erklärte, dass HPC-Ressourcen am HLRS für die wissenschaftliche Grundlagenforschung seines Teams von entscheidender Bedeutung seien, von der er hofft, dass sie zu neuen Produkten führen wird, die der Gesellschaft zugute kommen. „Die wichtigste Rechenleistung in diesem Zeitschriftenartikel war nur durch unseren Zugriff auf die Maschine in Stuttgart möglich“, sagte er.

Bereitgestellt vom Höchstleistungsrechenzentrum Stuttgart