Es fácil dar mucho por sentado. Los científicos hacen esto cuando estudian el estrés, la fuerza por unidad de área sobre un objeto. Los científicos manejan el estrés matemáticamente asumiendo que tiene simetría. Eso significa que los componentes del estrés son idénticos si transformael objeto estresado con algo así como un giro o un giro. Las simulaciones de supercomputadoras muestran que a nivel atómico, el estrés del material no se comporta simétricamente. Los hallazgos podrían ayudar a los científicos a diseñar nuevos materiales como el vidrio o el metal que no se congelan.
Eso es según un estudio publicado en septiembre de 2018 en el Actas de la Royal Society A . El coautor del estudio, Liming Xiong, resumió los dos hallazgos principales. "La propiedad simétrica comúnmente aceptada de un tensor de tensión en la mecánica clásica continua se basa en ciertas suposiciones, y no serán válidas cuando un material se resuelva en una resolución atomística"Xiong continuó que" las fórmulas ampliamente utilizadas de estrés atómico virial o estrés resistente subestiman significativamente el estrés cerca de un concentrador de estrés, como un núcleo de dislocación, una punta de grieta o una interfaz, en un material bajo deformación ". Liming Xiong es un asistenteProfesor en el Departamento de Ingeniería Aeroespacial de la Universidad Estatal de Iowa.
Xiong y sus colegas trataron el estrés de una manera diferente a la mecánica clásica continua, lo que supone que un material es infinitamente divisible, de modo que el momento del momento se desvanece para el punto material a medida que su volumen se acerca a cero. En su lugar, utilizaron la definición del matemático ALCauchy de tensión como la fuerza por unidad de área que actúa en tres planos rectangulares. Con eso, realizaron simulaciones de dinámica molecular para medir el tensor de tensión a escala atómica de materiales con inhomogeneidades causadas por dislocaciones, límites de fase y agujeros.
Los desafíos computacionales, dijo Xiong, aumentan hasta los límites de lo que actualmente es computable cuando se trata de fuerzas atómicas que interactúan dentro de una pequeña fracción del espacio de una gota de lluvia ". El grado de libertad que debe calcularse será enorme,porque incluso una muestra del tamaño de micras contendrá miles de millones de átomos. Miles de millones de pares atómicos requerirán una gran cantidad de recursos de cálculo ", dijo Xiong.
Además, agregó Xiong, es la falta de un código informático bien establecido que pueda usarse para el cálculo del estrés local a escala atómica. Su equipo utilizó el simulador de dinámica molecular LAMMPS de código abierto, que incorpora el potencial interatómico Lennard-Jonesy modificado a través de los parámetros que elaboraron en el documento. "Básicamente, estamos tratando de enfrentar dos desafíos", dijo Xiong. "Uno es redefinir el estrés a nivel atómico. El otro es, si tenemos un bien-cantidad de estrés definida, ¿podemos usar los recursos de la supercomputadora para calcularla? "
Xiong recibió asignaciones de supercomputadora en XSEDE, Extreme Science and Engineering Discovery Environment, financiado por la National Science Foundation. Eso le dio a Xiong acceso al sistema Comet en el Centro de Supercomputadoras de San Diego; y Jetstream, un entorno en la nube respaldado por la Universidad de Indiana, la Universidad de Arizona y el Centro de Computación Avanzada de Texas.
"Jetstream es una plataforma muy adecuada para desarrollar un código de computadora, depurarlo y probarlo", dijo Xiong. "Jetstream está diseñado para cálculos a pequeña escala, no para cálculos a gran escala. Una vez que el código fue desarrollado y comparado, lo trasladamos al sistema Cometa en escala de petas para realizar simulaciones a gran escala utilizando cientos de miles de procesadores. Así es como utilizamos los recursos XSEDE para realizar esta investigación ", explicó Xiong.
El sistema Jetstream es un recurso informático configurable a gran escala que aprovecha la tecnología de máquina virtual persistente y bajo demanda para admitir una gama mucho más amplia de entornos y servicios de software que los recursos actuales de NSF.
"La depuración de ese código necesitaba monitoreo en la nube y asignación de recursos de inteligencia a pedido", recordó Xiong. "Necesitamos probarlo primero, porque ese código no estaba disponible. Jetstream tiene una característica única de monitoreo en la nube y bajo demandaasignación de recursos de inteligencia. Estas son las características más importantes para que elijamos Jetstream para desarrollar el código ".
"Lo que más impresionó a nuestro grupo de investigación sobre Jetstream", continuó Xiong, "fue el monitoreo en la nube. Durante la etapa de depuración del código, realmente necesitamos monitorear cómo funciona el código durante el cálculo. Si el código no es completamentedesarrollado, si aún no está comparado, no sabemos qué parte está teniendo un problema. El monitoreo en la nube puede decirnos cómo funciona el código mientras se ejecuta. Esto es muy único ", dijo Xiong.
El trabajo de simulación, dijo Xiong, ayuda a los científicos a cerrar la brecha entre las escalas micro y macro de la realidad, en una metodología llamada modelado multiescala. "Multiscale está tratando de cerrar el continuo atomístico. Para desarrollar una metodología para el modelado multiescala, necesitamos tener definiciones consistentes para cada cantidad en cada nivel ... Esto es muy importante para el establecimiento de una herramienta computacional atomista-continua concurrente autoconsistente. Con esa herramienta, podemos predecir el rendimiento del material, las cualidades y elcomportamientos de abajo hacia arriba. Simplemente considerando el material como una colección de átomos, podemos predecir sus comportamientos. El estrés es solo un trampolín. Con eso, tenemos las cantidades para cerrar el continuo ", dijo Xiong.
Xiong y su grupo de investigación están trabajando en varios proyectos para aplicar su comprensión del estrés para diseñar nuevos materiales con propiedades novedosas. "Uno de ellos es descongelar las superficies de los materiales", explicó Xiong. "Un fenómeno común que puedeobserve si hay hielo que se forma en la ventana de un automóvil en climas fríos. Si desea eliminarlo, debe aplicar una fuerza sobre el hielo. La fuerza y la energía necesarias para eliminar ese hielo están relacionadas con la definición del tensor de estrés y las interfaces entrehielo y la ventanilla del automóvil. Básicamente, la definición de estrés, si es clara a escala local, proporcionará la guía principal para usar en nuestra vida diaria ".
Xiong ve un gran valor en el lado computacional de la ciencia. "La supercomputación es una forma realmente poderosa de calcular. Hoy en día, la gente quiere acelerar el desarrollo de nuevos materiales. Queremos fabricar y comprender el comportamiento del material antes de ponerlo en masaproducción. Eso requerirá una herramienta de simulación predictiva. Esa herramienta de simulación predictiva realmente considera los materiales como una colección de átomos. El grado de libertad asociado con los átomos será enorme. Incluso una muestra del tamaño de micras contendrá miles de millones de átomos. Solo una supercomputadora puedeayuda. Esto es muy exclusivo para la supercomputación ", dijo Xiong.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Texas en Austin, Centro de Computación Avanzada de Texas . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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