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Titan captura la complejidad de la película de cristal líquido

Hola otra vez. En el teclado Simón Sánchez y en el día de hoy hablaremos sobre Titan captura la complejidad de la película de cristal líquido

Las pantallas de cristal líquido (familiares para la mayoría de las pantallas LCD) se basan en las propiedades de modulación de la luz de los cristales líquidos para dar vida a las imágenes en una amplia variedad de pantallas. Desde monitores de computadora hasta televisores, paneles de instrumentos y señalización, las pantallas LCD son un elemento omnipresente de la vida moderna.

Las pantallas LCD utilizan películas de alta tecnología, que deben ser delgadas y resistentes. El problema es que estas películas se degradan con el tiempo a medida que los «mesógenos» de cristal líquido, que componen las películas, se redistribuyen a áreas de menor energía en un proceso llamado deshumidificación. Finalmente, la película se rompe.

Un equipo de científicos del Laboratorio Nacional de Oak Ridge utilizó recientemente la supercomputadora Titan del laboratorio, equipada con 18688 CPU y un número igual de GPU, para trabajar para comprender mejor la mecánica de este proceso, como informó en el sitio web de OLCF.

Algunos de los usos notables de las películas de alta tecnología incluyen proteger las pastillas para que no se disuelvan demasiado pronto, mantener la corrosión del metal y reducir la fricción en los discos duros. Cuando las películas se producen utilizando cristales líquidos, macromoléculas con elementos rígidos y flexibles, el potencial de innovación pasa por las nubes.

Los segmentos rígidos admiten la interacción con corrientes eléctricas, campos magnéticos, luz y temperatura ambiente, y más. Esto llevó a la amplia prevalencia del material en las pantallas planas del siglo XXI. Los investigadores buscan activamente expandir el uso de películas delgadas de cristal líquido para recubrimientos a nanoescala, dispositivos ópticos y fotovoltaicos, biosensores y otras aplicaciones innovadoras, pero la tendencia a romper ha obstaculizado el progreso. Al estudiar el proceso de deshumidificación más de cerca, los científicos están allanando el camino para una mejor generación de películas.

Durante varias décadas, la teoría predominante ha argumentado que uno de los dos mecanismos podría explicar la deshidratación, y estos dos mecanismos se excluyen mutuamente. Luego, hace unos 10 años, los experimentos demostraron que estos dos mecanismos coexistían en muchos casos, como explica Trung Nguyen del Laboratorio Nacional de Oak Ridge (ORNL). Nguyen, quien fue el investigador principal del proyecto con W. Michael Brown (entonces en ORNL, pero ahora trabaja en Intel), ejecutó simulaciones de dinámica molecular a gran escala en la supercomputadora Titán de ORNL, detallando las etapas iniciales de las rupturas que se forman en películas delgadas sobre un sustrato sólido. El trabajo aparece como artículo de portada en la edición impresa del 21 de marzo de 2014 de Nanoscale, una revista de la Royal Society of Chemistry.

«Este estudio analizó un tema algo controvertido sobre el mecanismo de deshumidificación en películas delgadas», dijo Nguyen.

Los dos mecanismos que se cree que son responsables de la deshumidificación son la nucleación térmica, una causa mediada por el calor, y la deshumidificación espinodal, una causa inducida por el movimiento. Los modelos teóricos postulados hace décadas afirmaban que uno u otro sería responsable de la humidificación de la película fina, dependiendo de su espesor inicial. La simulación validó que los dos mecanismos coexisten, aunque uno predomina según el grosor de la película, siendo la nucleación térmica más prominente en películas más gruesas y la humidificación espinodal más común en películas más delgadas.

El ímpetu de las rupturas son las moléculas de cristal líquido que intentan recuperar estados de menor energía. Aunque todavía se encuentra en la etapa de investigación, se cree que este descubrimiento promueve la innovación en el uso de películas delgadas para aplicaciones tales como generación de energía, detección bioquímica y lubricación mecánica. La investigación fue facilitada por la asignación de tiempo de supercomputación al programa Titan Early Science de 2013 en Oak Ridge Leadership Computing Facility. El equipo de Nguyen ha pasado por el programa Center for Accelerated Applications Readiness (CAAR) de ORNL, que ofrece acceso temprano a recursos de última generación para código que puede beneficiarse de unidades de procesamiento de gráficos (GPU) a gran escala. Como parte del programa CAAR, Brown reelaboró ​​el código de dinámica molecular LAMMPS para explotar una gran cantidad de GPU.

Titan, la supercomputadora estadounidense más poderosa y la segunda más rápida del mundo, tiene una velocidad de cálculo teórica máxima de 27 petaflops y un LINPACK medido en 17,59 petaflops. El sistema Titan Cray XK7 es también el primer sistema de supercomputación importante en utilizar una arquitectura híbrida que utiliza tanto las CPU convencionales AMD Opteron de 16 núcleos como la GPU NVIDIA Tesla K20.

Los investigadores utilizaron Titán para simular 26 millones de mesógenos en micrómetros de sustrato de largo y ancho, tomando 18 millones de horas centrales y explotando hasta 4.900 nodos de Titán. El estudio duró tres meses, pero habría durado unos dos años sin la aceleración de la GPU de Titan.

“Estamos usando LAMMPS con aceleración de GPU para que la velocidad sea siete veces más rápida que la de una arquitectura comparable de solo CPU, por ejemplo, Cray XE6. Si alguien quiere volver a ejecutar simulaciones sin una GPU, tiene que ser siete veces más lento «, explicó Nguyen.» Los problemas de deshumidificación son excelentes candidatos para usar Titan porque necesitamos usar sistemas grandes para capturar la complejidad del origen de la deshumidificación del películas delgadas de cristal líquido, tanto microscópicamente como macroscópicamente «.

Este es el primer estudio que simula películas delgadas de cristales líquidos en períodos y tiempos experimentales y también el primero en relacionar el proceso de deshumidificación con la fuerza motriz a nivel molecular, que hace que las moléculas se rompan.

El papel a nanoescala era demasiado

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