Identifier une nouvelle source plus propre de lumière blanche

Lorsque les premiers humains ont découvert comment exploiter le feu, ils ont pu repousser l’obscurité nocturne qui les enveloppait. Avec l’invention et l’adoption généralisée de l’électricité, il est devenu plus facile de séparer la chaleur de la lumière, de travailler toute la nuit et d’éclairer les wagons jusqu’aux autoroutes. Ces dernières années, les anciennes formes de génération de lumière électrique telles que les ampoules halogènes ont cédé la place à des alternatives plus économes en énergie, réduisant encore les coûts pour éclairer nos maisons, nos lieux de travail et nos vies en général.

Malheureusement, la génération de lumière blanche par des technologies plus récentes telles que les diodes électroluminescentes (DEL) n’est pas simple et repose souvent sur une catégorie de matériaux appelés « métaux des terres rares », qui sont de plus en plus rares. Cela a récemment conduit les scientifiques à rechercher des moyens de produire de la lumière blanche de manière plus durable. Des chercheurs de l’Université de Giessen, de l’Université de Marbourg et de l’Institut de technologie de Karlsruhe ont récemment découvert une nouvelle classe de matériaux appelée « verre en grappe » qui présente un grand potentiel pour remplacer les LED dans de nombreuses applications.

« Nous assistons à la naissance d’une technologie de génération de lumière blanche qui peut remplacer les sources lumineuses actuelles. Elle apporte toutes les exigences que notre société demande : disponibilité des ressources, durabilité, biocompatibilité », a déclaré le professeur Simone Sanna, professeur à l’université de Giessen. et chercheur principal en informatique sur le projet.

« Mes collègues des sciences expérimentales, qui ont observé cette génération de lumière blanche inattendue, ont demandé un soutien théorique. Le verre en grappe a une réponse optique incroyable, mais nous ne comprenons pas pourquoi. Les méthodes informatiques peuvent aider à comprendre ces mécanismes. C’est exactement le défi que les théoriciens veulent relever. »

Sanna et ses collaborateurs se sont tournés vers la puissance du calcul haute performance (HPC), en utilisant le supercalculateur Hawk du Centre de calcul haute performance de Stuttgart (HLRS) pour mieux comprendre le verre en grappe et comment il pourrait servir de source lumineuse de nouvelle génération. . Ils ont publié leurs découvertes dans Matériaux avancés.

Vue claire sur la formation de verre en grappe

Si vous n’êtes pas un spécialiste des matériaux ou un chimiste, le mot verre peut simplement signifier le matériau transparent et solide de vos fenêtres ou de votre table à manger. Le verre est en fait une classe de matériaux considérés comme des « solides amorphes » ; c’est-à-dire qu’ils n’ont pas de réseau cristallin ordonné, souvent en raison d’un processus de refroidissement rapide. Au niveau atomique, leurs particules constitutives sont dans un état suspendu et désordonné. Contrairement aux matériaux cristallins, où les particules sont ordonnées et symétriques sur une longue distance moléculaire, le désordre des verres au niveau moléculaire les rend parfaits pour plier, fragmenter ou réfléchir la lumière.

Des expérimentateurs de l’Université de Marburg ont récemment synthétisé un verre particulier appelé « cluster glass ». Contrairement à un verre traditionnel qui se comporte presque comme un liquide gelé sur place, le verre en grappe, comme son nom l’indique, est une collection de grappes séparées de molécules qui se comportent comme une poudre à température ambiante. Ils génèrent une lumière blanche brillante et claire lorsqu’ils sont irradiés par un rayonnement infrarouge. Alors que les poudres ne peuvent pas facilement être utilisées pour fabriquer de petits composants électroniques sensibles, les chercheurs ont trouvé un moyen de les refondre sous forme de verre : « Quand on fait fondre la poudre, on obtient un matériau qui a toutes les caractéristiques d’un verre et qui peut être mettre sous n’importe quelle forme nécessaire pour une application spécifique », a déclaré Sanna.

Alors que les expérimentateurs ont pu synthétiser le matériau et observer ses propriétés lumineuses, le groupe s’est tourné vers Sanna et HPC pour mieux comprendre comment le verre en grappe se comporte comme il le fait. Sanna a souligné que la génération de lumière blanche n’est pas une propriété d’une seule molécule dans un système, mais les comportements collectifs d’un groupe de molécules. Tracer les interactions de ces molécules entre elles et avec leur environnement dans une simulation signifie donc que les chercheurs doivent à la fois capturer les comportements à grande échelle de la génération de lumière et observer comment les interactions atomiques à petite échelle influencent le système. N’importe lequel de ces facteurs serait un défi de calcul. Cependant, la modélisation de ces processus à plusieurs échelles n’est possible qu’en utilisant des ressources HPC de pointe comme Hawk.

La collaboration entre expérimentateurs et théoriciens est devenue de plus en plus importante en science des matériaux, car la synthèse de nombreuses itérations d’un matériau similaire peut être lente et coûteuse. Le calcul haute performance, a indiqué Sanna, permet d’identifier et de tester beaucoup plus rapidement des matériaux dotés de nouvelles propriétés optiques. « La relation entre la théorie et l’expérience est une boucle continue. Nous pouvons prédire les propriétés optiques d’un matériau qui a été synthétisé par nos collègues chimistes et utiliser ces calculs pour vérifier et mieux comprendre les propriétés du matériau », a déclaré Sanna. « Nous pouvons également concevoir de nouveaux matériaux sur un ordinateur, en fournissant des informations que les chimistes peuvent utiliser pour se concentrer sur la synthèse de composés qui ont la plus grande probabilité d’être utiles. De cette façon, nos modèles inspirent la synthèse de nouveaux composés avec des propriétés optiques adaptées »

Dans le cas du verre en grappe, cette approche a abouti à une expérience qui a été vérifiée par simulation, la modélisation aidant à montrer aux chercheurs le lien entre les propriétés optiques observées et la structure moléculaire de leur matériau en verre en grappe et peut maintenant avancer en tant que candidat. pour remplacer les sources lumineuses fortement dépendantes des métaux de terres rares.

HPC accélère les délais de R&D

Le CHP joue un rôle majeur en aidant les chercheurs à accélérer le délai entre une nouvelle découverte et un nouveau produit ou une nouvelle technologie. Sanna a expliqué que HPC a considérablement réduit le temps nécessaire pour mieux comprendre le verre en grappe. « Nous passons beaucoup de temps à faire de la simulation, mais c’est beaucoup moins qu’à caractériser ces matériaux dans la réalité », a-t-il déclaré. « Les clusters que nous modélisons ont un noyau en forme de losange auquel sont attachés 4 ligands (chaînes moléculaires). Ces ligands peuvent être constitués de n’importe quel nombre de choses, donc le faire dans une expérience prend du temps. »

Sanna a souligné que l’équipe est toujours limitée par la durée pendant laquelle elle peut effectuer des exécutions individuelles pour ses simulations. De nombreux projets de recherche sur les supercalculateurs peuvent diviser un système complexe en plusieurs petites parties et exécuter des calculs pour chaque partie en parallèle. L’équipe de Sanna doit accorder une attention particulière aux interactions de particules à longue distance dans les grands systèmes, de sorte qu’elle est limitée par la quantité de simulation qu’elle peut diviser entre les nœuds informatiques. Il a indiqué que l’accès régulier à des durées d’exécution plus longues – plus d’une journée d’affilée sur un supercalculateur – permettrait à l’équipe de travailler plus rapidement.

Dans les études en cours sur le verre en grappes, l’équipe de Sanna espère comprendre en profondeur l’origine de ses propriétés de génération de lumière. Cela pourrait aider à identifier de nouveaux matériaux supplémentaires et à déterminer la meilleure façon d’appliquer le verre en grappe dans la génération de lumière.

Sanna a expliqué que les ressources HPC du HLRS étaient essentielles pour la recherche scientifique fondamentale de son équipe, qui, espère-t-il, conduira à de nouveaux produits qui pourront profiter à la société. « La principale réalisation informatique de cet article de journal n’a été possible que grâce à notre accès à la machine à Stuttgart », a-t-il déclaré.

Fourni par le Centre de calcul haute performance de Stuttgart