Superkomputer: Applications

Celem projektu jest zbadanie wpływu dodania jednościennych nanorurek węglowych na przebieg tarcia na styku dwóch metali. Badania mają zostać przeprowadzone przy wykorzystaniu symulacji metodą dynamiki molekularnej. Projekt obejmuje przygotowanie, przeprowadzenie oraz analizę rezultatów symulacji, w których pomiędzy dwie (idealnie gładkie) powierzchnie metaliczne wprowadza się nanorurki węglowe (o zadanej średnicy, długości oraz chiralności), a następnie symuluje się ruch ślizgowy powierzchni metalicznych względem siebie. Przygotowanie symulacji obejmuje napisanie od podstaw programu komputerowego (język C/C++), służącego do generacji konfiguracji początkowej symulowanego układu (dwie idealnie gładkie powierzchnie wybranego metalu + nanorurki węglowe, ulokowane losowo pomiędzy trącymi przeciwpowierzchniami) oraz opracowanie i walidację protokołu symulacji.
Do przeprowadzenie symulacji ma zostać wykorzystany program LAMMPS [1, 2] (ang. Large-scale Atomic/Molecular Massively Parallel Simulator), zaś w opisie oddziaływań ma zostać użyty potencjał BOP (ang. bond-order potential) zaproponowany w [3]. Analiza wyników obejmuje wyznaczenie współczynnika tarcia (chwilowego oraz średniego). Ma to zostać zrealizowane z definicji współczynnika tarcia, tj. mierząc stosunek siły tarcia (stycznej) do siły nacisku (normalnej). Projekt obejmuje także interpretację uzyskanych rezultatów, w tym zidentyfikowanie mechanizmów/zjawisk wpływających istotnie na współczynnika tarcia.
Motywację dla planowanych badań stanowi fakt zaobserwowania (zarówno na bazie eksperymentu, jak i symulacji, patrz chociażby [4]), iż dodanie nanorurek węglowych (oraz innych nanostruktur węgla) może znacząco obniżyć współczynnik tarcia, niekiedy prowadząc nawet do tzw. supersmarowności (ang. superlubricity), tj. zjawiska, w którym tarcie praktycznie zanika (wartości współczynnika tarcia mniejsze od 0.01).
Przeprowadzenie symulacji wymaga zaangażowanie dużych mocy komputerowych. Wynika to z faktu, iż planowane symulacje charakteryzują się dużym kosztem obliczeniowym (symulowane są duże układy, składające się z kilkudziesięciu tysięcy atomów, symulowane jest długoczasowe zachowanie układu, potencjał użyty do opisu oddziaływań jest złożony). Oprogramowanie, które zostanie wykorzystane w obliczeniach (program LAMMPS), pozwala prowadzić symulacje w sposób równoległy (stosowane jest zrównoleglenie hybrydowe: MPI+ OpenMP), przy zachowaniu dużej efektywności.
Literatura
[1] S. Plimpton, Fast Parallel Algorithms for Short-Range Molecular Dynamics, J. Comput. Phys. 117, 1 (1995).
[2] LAMMPS Molecular Dynamics Simulator, http://lammps.sandia.gov/
[3] X. W. Zhou, D. K. Ward, M. E. Foster, An Analytical Bond-Order Potential for Carbon, J. Comput. Chem. 36, 1719-1735 (2015).
[4] X. Chen, J. Li, Superlubricity of carbon nanostructures, Carbon 158, 1-23 (2020).