موارد ALCF تقدم أبحاث توصيف المواد

5 يوليو 2022 – باستخدام موارد حوسبة ALCF ، يقوم فريق بقيادة علماء جامعة ميشيغان بتحسين خوارزميات إعادة البناء بالتصوير المقطعي لتحسين جودة الصورة لأبحاث خصائص المواد.

باستخدام تقنيات التصوير المتقدمة ، يمكن للعلماء فحص بنية وسلوك الأنظمة الكيميائية على المستوى المجهري. يمكن أن توفر مثل هذه الأبحاث رؤى تساعد في البحث عن مواد جديدة واعدة للتطبيقات الهامة التي تتراوح من البطاريات إلى أشباه الموصلات.

يهدف مشروع قيد التنفيذ في مختبر أرغون الوطني التابع لوزارة الطاقة الأمريكية (DOE) إلى إثبات ما هو أكثر من الحدود النظرية لتصور الكائنات – أي تحديد أصغر الميزات في الأشياء التي يمكن تصويرها وبأي درجة من التفاصيل.

الاستفادة من الموارد من Argonne Leadership Computing مرفق (ALCF) ومصدر الفوتون المتقدم (APS) بقيادة باحثين من جامعة ميشيغان ، يهدف المشروع إلى التغلب على القيود التجريبية وتحسين جودة الصورة في توصيف المواد. تحقيقا لهذه الغاية ، يعمل الفريق على تطوير خوارزميات التقدم التي تتيح دقة بصرية أعلى ، وبالتالي تحسين قدرة العلماء على اكتشاف واستكشاف المعلومات الكيميائية الهامة. ALCF و APS هما وزارة الطاقة الأمريكية لمنشآت المستخدم العلمي.

نظرًا للدور المهم لعلوم المواد في مجالات الهندسة والكيمياء والفيزياء ، تؤثر هذه التطورات على مجموعة واسعة من التقنيات ، بما في ذلك أساسيات الطاقة النظيفة مثل الخلايا الكهروضوئية.

إعادة بناء الصورة الحسابية

التصوير المقطعي بالإلكترون والأشعة السينية هي تقنيات للحصول على هياكل ثلاثية الأبعاد للعينات بناءً على صور الإسقاط ثنائية الأبعاد من الفحص المجهري للإلكترون والأشعة السينية. ينتج عن التقدم في إعادة بناء الصورة المقطعية صورًا لأجسام صغيرة كانت مستحيلة في السابق. في ورقة نُشرت مؤخرًا في npj Computational Materials ، أنشأ الباحثون طريقة الدفع المحدود لإنشاء مناظر عالية الدقة للبنية الذرية. تملأ هذه التقنية الفجوات المرئية بالمعلومات المستنبطة عن طريق قصف مادة مستهدفة بالإلكترونات ، مما يخلق اختلافات في امتصاص الطاقة يمكن أن تعمل كنوع من بصمات الأصابع الكيميائية.

وبشكل أكثر تحديدًا ، تقدم الورقة المجهر الإلكتروني متعدد الوسائط ، وهي تقنية لاستعادة نسبة إشارة إلى ضوضاء عالية (SNR) لكيمياء المواد بدقة نانو وذرية. تقيس نسبة الإشارة إلى الضوضاء (SNR) موثوقية الإشارة ، وتعطي النسبة الأعلى العلماء صورة أوضح للنظام.

قال روبرت هودن ، الأستاذ في جامعة ميتشيغان والمحقق الرئيسي (PI) في المشروع ، المدعوم من ALCF Data Science: “يجمع نهجنا متعدد الوسائط إشارات من مجموعة من أجهزة الكشف لإنشاء صور أكثر تفصيلاً مما كان ممكنًا في السابق”. برنامج.

“الجمع بين البيانات التي تم حصادها ، مع نسبة إشارة إلى ضوضاء عالية حقًا ، يمكن أن يساعدنا في استعادة كيمياء أي نظام ندرسه. كان تعلم نسب العناصر المعنية أمرًا صعبًا للغاية ، ولكن يمكننا الآن تحديد الفرد ذرات النظام وتخصيص تركيبة كيميائية لكل منها. ليس هذا فقط ، يمكن الحصول على كمية الخليط الكيميائي من – قياس العناصر المتفاعلة ، أي يشير القياس الكيميائي على وجه التحديد إلى كميات المواد المتفاعلة والمنتجات في تفاعل كيميائي.

في الواقع ، تم اختبار طريقة استرداد SNR مقابل البيانات التجريبية والمحاكاة الحسابية التي تعمل على كمبيوتر ALCF العملاق Theta. يمكن الآن تحديد قياس العناصر المتكافئة عن طريق تحسين البيانات التي تم جمعها عن طريق تشتت الإلكترونات من المادة المستهدفة.

يعمل فريق Howden بشكل وثيق مع موظفي Argonne لتطوير واختبار الموثوقية الحسابية للخوارزمية التي تحكم المشروع.

تمثل المحاكاة أحد العنصرين المكلفين من الناحية الحسابية للبحث المتكامل ، والآخر هو إعادة بناء النماذج المتعددة.

قال هودن: “كانت عمليات المحاكاة كبيرة جدًا مطلوبة. الصور التي تنتجها هذه المحاكاة بسيطة بشكل مخادع ، بينما في الواقع يتم تجميع كل بكسل من آلاف الحسابات الكمومية الميكانيكية”.

تفسير أكثر كفاءة للإشارات

تم تطوير هذا العمل بناءً على الرغبة في تنفيذ تقنيات فيزياء التشتت بمقاييس أطوال مختلفة. في الفيزياء ، يشير التشتت إلى التغيرات في المسار الناتجة عن اصطدام جسيم بجسيم آخر.

“كان مجتمع الأشعة السينية يقوم بهذا النوع من العمل ، وبما أن استخدام حزم الإلكترون ينتج فيزياء تشتت مماثلة لقياسات طول الأشعة السينية ، يبدو أن بعض هذه الأساليب قد تكون قابلة للتطبيق على البحث الذي كنت أقوم به ،” هاودن قال.

تفشل طرق التصوير المقطعي الحالية لتفسير التركيب الذري من إشارات الانتثار المرنة في وصف كيمياء عينة معينة بشكل مناسب.

وبالمثل ، يتم تحديد التركيب الكيميائي باستخدام فقدان طاقة الإلكترون و / أو إشارات التشتت التي يتم الحصول عليها من ارتباطات الأشعة السينية المشتتة للطاقة ، ولكن التقنيات الحالية تتطلب أحجامًا إلكترونية كبيرة جدًا لتوليد ضوضاء أو إتلاف العينة المستخدمة من أجلها. بحث.

قال Huihuo Zheng ، عالم الكمبيوتر في ALCF و Co-PI: “مقارنة المجهر الإلكتروني متعدد الوسائط ، يحسن بشكل كبير نسبة الإشارة إلى الضوضاء (SNR) للخرائط الكيميائية ، مع مكاسب بنسبة 300 إلى 500 بالمائة في كثير من الأحيان”. “علاوة على ذلك ، يمكن أن تقلل هذه الطريقة حجم الإلكترون بأكثر من ترتيب من حيث الحجم ، مما يترجم إلى تقليل الاضطرابات البيئية.”

تساعد القياسات التي تم الحصول عليها من عمليات المحاكاة في التنبؤ بمتى وإلى أي مدى يفشل هذا النهج.

بالإضافة إلى تقدمه في الجمع بين أجهزة الكشف والتقنيات الحسابية لإعادة بناء الجسيمات ، فإن تأثير العمل واضح في APS.

قال Ko-Pi Yi Jiang ، عالم بيانات Argonne Beamline في ABS والمؤلف المشارك للورقة البحثية: “ببساطة ، تحقيق الدقة العالية التي نريد تحقيقها سيمكننا من تصوير الأشياء التي لا يمكننا تصويرها حاليًا”. “لقد بدأنا بالفعل في تكييف تقنيات معالجة صور متعددة الوسائط مماثلة للفحص المجهري بالأشعة السينية.”

للمضي قدمًا ، يريد Howden وفريقه توسيع طريقتهم إلى ثلاثة أبعاد.

قال هاودن: “إنها حقًا تتلخص في سؤالين”. “السؤال الأول هو ما إذا كان هذا التحسن الهائل في نسبة الإشارة إلى الضوضاء (SNR) الذي يتيح تصور البنية الذرية يمكن أن يتيح التصور ثلاثي الأبعاد للكيمياء بأكملها. إذا كانت الإجابة بنعم ، فنحن بحاجة إلى معرفة الدقة وما أنواع المواد.

شهادة: نيلس هاينونين ، ALCF