At skubbe væsker til deres grænser med næste generations materialesimuleringsmetoder

Materialer til industrielle og tekniske applikationer, såsom jern og stål, bruges ofte ved ekstreme tryk og temperaturer eller i komplekse miljøer, hvor deres egenskaber kan være meget forskellige fra dem, der findes under normale omstændigheder.

Måske det mest berømte eksempel på dette i praksis er de udvendige fliser af NASA Space Shuttle Columbia, som var dækket af en kombination af silicaforbindelser og aluminiumoxid for at beskytte det mod temperaturer på op til 1, 200 grader F. Når vi ser tilbage nu, det var en utrolig teknisk bedrift at opnå dette i betragtning af at de manglede den regnekraft, vi har i dag.

Evnen til at forudsige materialers egenskaber, som med fliserne, langt fra de forhold, man møder i almindelig erfaring, og hvor eksperimentelle målinger er begrænsede, er derfor en stor fordel i materialedesign og -opdagelse. Denne situation giver unikke udfordringer for materialesimulering, da det kræver, at modeller og deres underliggende antagelser anvendes i situationer, der er meget forskellige fra dem, de blev udviklet i.

Et team, der involverer IBM Research og UK Science and Technology Facilities Councils (STFC) Hartree Center har udviklet en ny klasse af materialesimuleringsmetoder designet til at forbedre forudsigelsesevnen og udvide rækken af ​​forhold, som materialers simuleringsmodeller på molekylær skala kan anvendes over. med tillid. Dette opnås ved at inkorporere elektroniske svar i den molekylære beskrivelse. Denne innovation gør det muligt for de simulerede molekyler at tilpasse sig deres miljø på den måde, som "rigtige" molekyler gør og er effektive nok til at blive anvendt på relativt store, komplekse systemer.

I et papir, der vises i dag i Naturvidenskabelige rapporter , vi adresserer den berømte udfordring med flydende vand som et modelsystem, der udviser usædvanlige og dramatiske ændringer i fysiske egenskaber afhængigt af temperatur – med særlig mystisk adfærd (såsom en temperatur med maksimal tæthed og negativ termisk ekspansion), der forekommer nær og under frysepunktet.

Vores team bruger materialesimulering til at udforske vandets struktur og egenskaber i det yderste af dets stabilitetsområde som en væske:Ved dets høje temperaturgrænse, når væsken først kondenserer til små molekylære kæder og dråber ned til de lavest mulige temperaturer for meget struktureret "superkølet" væske – som overlever langt under det normale frysepunkt; og ind i det ukendte "strakte" regime - hvor de flydende bindinger understøtter høje trækspændinger, før de "brækker" for at danne damphulrum. Værket afslører også hidtil ukendte forhold mellem den flydende struktur og dem af "glasagtige is".

Overensstemmelsen med tilgængelige eksperimentelle beviser på tværs af en så bred vifte af forhold er et kraftfuldt bevis på, at de elektroniske svar, der er inkorporeret i modellen, fanger den væsentlige fysik, der kræves for at beskrive nogle af de mystiske egenskaber ved vand og afsløre deres molekylære oprindelse for første gang.

Mens vi i vores papir fokuserede på vand eller væsker, det er også praktisk til faste stoffer, og vi udvikler i øjeblikket til bredere applikationer i industrielle sektorer, f.eks. inden for biovidenskab gennem Hartree Center.

Når vi tænker tilbage på ingeniørerne, der har designet rumfærgen, de havde sandsynligvis måneder, hvis ikke år med forsøg og fejl til at udvikle fliserne til at være varmebestandige, dog let og ikke for skørt. Ved at anvende den teknologi, der er diskuteret i vores papir, kunne de have testet hundredvis af designs på få minutter. Ikke at forglemme, vi laver virtuel test, hvilket også er meget billigere og sikrere i forhold til fysisk testning.

Jeg er overbevist om, at dette materialesimuleringsarbejde vil bidrage til en ny kognitiv opdagelsestid.