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INTRODUCCION A LAS SIMULACIONES ATOMISTICAS Eduardo M. Bringa ([email protected] ) CONICET / Instituto de Ciencias Básicas Universidad Nacional de Cuyo, Mendoza Susana Ramos (U.N. Comahue), Emmanuel Millán (U.N. Cuyo) Universidad Nacional del Comahue Neuquén Marzo 2012

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INTRODUCCION A LAS SIMULACIONES ATOMISTICAS

Eduardo M. Bringa ([email protected])

CONICET / Instituto de Ciencias BásicasUniversidad Nacional de Cuyo, Mendoza

Susana Ramos (U.N. Comahue), Emmanuel Millán (U.N. Cuyo)

Universidad Nacional del ComahueNeuquén

Marzo 2012

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“ The underlying physical laws necessary for the math ematical theory of a largepart of physics and the whole of chemistry are thus completely known, and the

difficulty is only that the exact application of th ese laws leads to equationsmuch too complicated to be soluble.” – Dirac, 1929.

Leyes conocidas, pero soluciones analíticas no siempre posibleComportamiento “emergente” a partir de leyes simples

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BARILOCHEComportamiento de clusters en plasmas

LIVERMORE, CALásers, tokamaks, nanotecnología, rayos cósmicos.

UVa, CHARLOTTESVILLEIones bombardeando superficies, viento solar bombardeando Europa (luna de Júpiter). DOCENCIA

Máquina CPUsIB (1995)386 1UVa (2000)T3E 256LLNL (2007)Atlas 9000 BGL 213000NERSC (2006-2008)Seaborg 6900Franklin 19320UNCuyo (2008)ITU 24

ICB, UN CUYO, MENDOZANanotecnología, condiciones extremas de presión y temperatura, radiación, etc.DOCENCIA

Repatriación:RAICES, PRH

Es muy difícil/imposible hacer experimentos bajo ciertas condiciones extremas ���� necesito hacer simulaciones

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Giant Planets

Hay numerosas situaciones donde se necesita saber el comportamiento de materiales bajo condiciones extremas de temperatura, presión, radiación, etc.

ExplosionesInteriores estelares Fusión Inercial

Agujeros negros Planetas gigantes

Los experimentos son difíciles o imposibles, y necesito modelos y simulaciones

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Our universe provides various regions of extreme conditions far from thermodynamic equilibrium

Element formation in stars

The Big Bang

Planetary system formation

Forming Earth-like planets

Chemistry of lifehttp://www7.nationalacademies.org/bpa/projects_cpu_index.html

tt

MoleculesMolecules

C2H

5NO

2C2H

5NO

2

H2

H2O

CO

H2

H2O

CO

Cosmic Raystt

DustDust

Amino AcidsAmino Acids

Interstellar medium cloud - VLT image, ESOInterstellar medium cloud - VLT image, ESO

Interplanetary dust particle - Bradley et al 1984Interplanetary dust particle - Bradley et al 1984

Escala nano afecta escala macro:

Formación de estrellas y planetasAstrobiología !

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NIF (National Ignition Facility) es más grande que una cancha de futbol y permitirá acceder a regímenes inaccesibles hasta ahora

Experimentos con alta densidad de energía como en NIF entregan:

E/V ≥ 102 kJ/cm3 o P ≥ 1 Mbar en escalas espaciales de L ≥ 1 mm

192 brazos, 2 MJ, P~0-30 Mbar1/3 µµµµm, 1-100 ns,

Blancos de mm - cm (E/V ~ 103 - 106 kJ/cm3)

www.llnl.gov/nif/

Otros láseres: Omega, Janus, Titan, Trident,

Vulcan, LIL, Luli, Helen, Gekko

Los láseres de alta potencia son perfectos para empujar materiales muy rápido, con velocidades de deformación de 106/s-109/s

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Nuevas técnicas experimentales están alcanzando escalas de tiempo y longitud comparables con las de simulaciones atomísticas

Control de procesos bajo condiciones extremas ����

producción de nuevos materiales y comprensión de procesos astrofísicos

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Computadoras como Blue Gene L (BG/L, 2.5 105 CPUs) permiten reproducir condiciones experimentales

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Lista Top500 Supercomputers, noviembre 2007

Rmax values are in GFlops.

BGL ranked 8th in list for June 2010 (596 teraFlops)

1DOE/NNSA/

LLNL IBM

eServer Blue Gene

SolutionUnited States 2007 212992 478200

9NERSC/LBN

L Cray Inc.Cray XT4, 2.6 GHz

United States 2007 19320 85368

29

Lawrence Livermore National

LaboratoryAppro

International

Appro Xtreme Server -Quad

Opteron Dual Core 2.4GHz

InfinibandUnited States 2007 9216 36620

47

Lawrence Livermore National

Laboratory

California Digital

Corporation

Intel Itanium2 Tiger4

1.4GHz -Quadrics

United States 2004 4096 19940

Rank Site Manufacturer Computer Country Year Processors RMax

BGL

Franklin

Thunder

Atlas

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Simulations at different scales: “sweetspot” at the nano-scaleIs my method appropriate for a given problem?

By Greg Odesgard, NASA Langley Research Center

University of Virginia, MSE 492/627: Introduction t o Atomistic Simulations, Leonid Zhigilei, http://www.people.virginia.edu/~lz2n/mse627

HPC SCALING: “GOOD” “BAD”“BAD” “BAD”

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Celda unidad

DEFECTOS PUNTUALESBORDES DE GRANO

DISLOCACIONES

Cu,Al,Ni,Au,….Fe,W,V,Ta,…

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Por qué las espadas japonesas son tan famosas?

Meyers and Chawla, Mechanical Behavior of Materials, 2nd Edition, Cambridge, 2009

E. Orowan, Thesis (1929),Z. Physik 89(1934) 634. G.I. Taylor, Proc. Roy. Soc. 145 (1934) 362. M. Polanyi, Z. Physik 89(1934) 660.

EdgeScrew

TEM of dislocations in Ti (B. Kad)

Porque los herreros

controlaban

nanoestructura

(dislocaciones, etc.)!

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Tight Binding

MD

Mecánica del continuo

1 metro= 1,000,000,000 nanometros

1 metro= 1,000,000 micrones

Espesor cabello humano ~ 200 µm

Estafilococo ~ 1 µm

Rinovirus ~ 200 nm

Kaxiras’ web

¿ Qué es la nanotecnología?

Escala nano afecta escala macro:

Propiedades de los materiales

Para construir reactores de fusión se precisan modelos multiescala

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14Al-Sawalmih, Li, Siegel, Fabritius, Yi, Raabe, Fratzl, Paris: Adv Funct Mater 18 (2008) 3307Fabritius, Sachs, Romano, Raabe, Adv. Mater. 21 (2009) 391 Sachs, Fabritius, Raabe: Journal of Structural Biology 161 (2008) 120

Escala “nano” controla comportamiento macroJerarquía estructural en artrópodos: la langosta ma rina