Forskeren bruger netværksvidenskab til at forstå, hvordan materialer fungerer

Netværksvidenskab er, hvordan matematikere og softwaredesignere konstruerer komplicerede sociale netværk som Facebook. Men en gruppe forskere ved Florida State University har fundet ud af, at disse ligninger kan fortælle ingeniører meget om sammensætningen af ​​forskellige materialer.

Ved hjælp af netværksvidenskab-en del af et større matematisk felt kaldet grafteori-FAMU-FSU professor i maskinteknik William Oates, tidligere kandidatstuderende Peter Woerner og lektor Kunihiko "Sam" Taira kortlagde atomkræfter på lang række til en utrolig kompleks graf for at simulere makroskopisk materialeadfærd.

Gruppen udviklede og anvendte derefter en metode, der i høj grad forenkler grafen, så andre forskere kunne replikere processen med andre materialer.

Værket er offentliggjort i tidsskriftet PLOS ONE .

Oates sagde, at ved hjælp af grafteori kan forskere bedre forstå, hvordan de molekyler, der sammensætter et materiale, fungerer på et makroskopisk niveau.

"Alle atomer har elektroner og kerner med positive ladninger, de skaber kræfter mellem ionerne, "Sagde Oates." At forsøge at beskrive det som en global struktur er udfordrende. Der er metoder til at modellere molekyler, men udfordringen er, hvordan man beskriver makroskopisk adfærd. At vide, hvordan molekylerne interagerer, er kun halvdelen af ​​problemet. Netværksvidenskab giver en unik bro, der giver os mulighed for at tage molekylær dynamik til den makroskopiske verden. "

Ultimativt, forskere ønsker at forstå alle atominteraktioner i et givet materiale, så de kan forstå, hvordan og hvorfor materialer opfører sig på bestemte måder, Sagde Oates. Men når du holder styr på alle de atomare interaktioner i et materiale, det bliver et kæmpe problem at løse på en computer.

Oates 'gruppe arbejdede på at gøre det til et meget mindre problem.

Når man ser på en graf, der viser atomer i et materiale, Oates sagde at tænke på atomer og kræfterne mellem dem som perler og fjedre. Atomladningerne forbinder disse perler, og de vibrerer på komplicerede måder - nogle hurtigere og nogle langsommere.

Af tekniske årsager, det var ikke nødvendigt at holde styr på alle kræfterne. Så, gruppen anvendte en metode til at finde ud af, hvordan kræfterne i grafen kunne forbindes igen uden at skabe fejl.

Ved hjælp af den viden, deres algoritme slettede visse atomkræfter i grafen og genforbundet den, så de bevarede vigtige oplysninger, mens de gjorde det lettere at beregne makroskopisk adfærd.

"Du skærer de uvæsentlige ting ud og beholder de vigtige dele for at få simuleringerne til at køre væsentligt hurtigere, "Sagde Oates." Det var virkelig målet - at forenkle det for at fremskynde computermaterialeforskning. "

Oates 'forskning er finansieret af National Science Foundation's EAGER -program, en etårig infusion af finansiering, der gør det muligt for et fakultetsmedlem at forfølge en højrisiko, men potentielt transformerende forskningsidé.

Denne første undersøgelse var mere et bevis på koncept, han sagde. Han vil nu se på, om denne grafteoretiske metode kan fortælle forskere, hvordan man gør et materiale mere effektivt, eller hvordan det kan transportere energi hurtigere.

"Vi kan muligvis bruge disse netværksmodeller til at lette denne designproces, "Sagde Oates.