Material i industriella och tekniska tillämpningar, som järn och stål, används ofta vid extrema tryck och temperaturer eller i komplexa miljöer där deras egenskaper kan skilja sig mycket från dem som finns under normala omständigheter.

Det kanske mest kända exemplet på detta i praktiken är de yttre plattorna på NASA Space Shuttle Columbia, som var täckt av en kombination av kiseldioxidföreningar och aluminiumoxid för att skydda den mot temperaturer på upp till 1, 200 grader F. När jag ser tillbaka nu, det var en otrolig ingenjörsprestation att uppnå detta med tanke på att de saknade den beräkningskraft vi har idag.

Förmågan att förutsäga egenskaper hos material, som med plattorna, långt ifrån de förhållanden man möter i vanlig erfarenhet, och där experimentella mätningar är begränsade, är därför en stor fördel i materialdesign och upptäckt. Denna situation innebär unika utmaningar för materialsimulering eftersom det kräver att modeller och deras underliggande antaganden tillämpas i situationer som skiljer sig mycket från dem där de utvecklades.

Ett team som involverar IBM Research och UK Science and Technology Facilities Councils (STFC) Hartree Center har utvecklat en ny klass av materialsimuleringsmetoder utformade för att förbättra prediktiv kraft och utöka utbudet av förhållanden över vilka materialsimuleringsmodeller i molekylär skala kan tillämpas med självförtroende. Detta uppnås genom att införliva elektroniska svar i den molekylära beskrivningen. Denna innovation gör det möjligt för de simulerade molekylerna att anpassa sig till sin miljö på det sätt som "riktiga" molekyler gör och är tillräckligt effektiv för att appliceras på relativt stora, komplexa system.

I en tidning som kommer ut idag i Naturvetenskapliga rapporter , vi tar upp den berömda utmaningen med flytande vatten som ett modellsystem som uppvisar ovanliga och dramatiska förändringar av fysiska egenskaper beroende på temperatur – med särskilt mystiskt beteende (som en temperatur med maximal densitet och negativ termisk expansion) som uppträder nära och under fryspunkten.

Vårt team använder materialsimulering för att utforska strukturen och egenskaperna hos vatten vid ytterligheterna av dess stabilitetsområde som en vätska:Vid dess höga temperaturgräns när vätskan först kondenserar till små molekylära kedjor och droppar ner till de lägsta temperaturer som kan nås för mycket strukturerad "superkyld" vätska – som överlever långt under den normala fryspunkten; och in i den okända "sträckta" regimen – där de flytande bindningarna stöder höga dragspänningar innan de "bryts" för att bilda ånghåligheter. Verket avslöjar också tidigare okända relationer mellan vätskestrukturen och "glasiga isar".

Överensstämmelsen med tillgängliga experimentella bevis över ett så brett spektrum av förhållanden är kraftfulla bevis för att de elektroniska svaren som ingår i modellen fångar den väsentliga fysiken som krävs för att beskriva några av vattnets mystiska egenskaper och avslöja deras molekylära ursprung för första gången.

Medan vi i vår tidning fokuserade på vatten eller vätskor, det är också praktiskt för fasta ämnen, och vi utvecklar för närvarande för bredare tillämpningar inom industrisektorer som inom life science genom Hartree Centre.

Jag tänker tillbaka på ingenjörerna som designade rymdfärjan, de hade förmodligen månader om inte år av försök och misstag för att utveckla plattorna för att vara värmebeständiga, ändå lätt och inte för spröd. Genom att tillämpa tekniken som diskuteras i vår artikel kunde de ha testat hundratals mönster på några minuter. Att inte glömma, vi gör virtuella tester, vilket också är mycket billigare och säkrare jämfört med fysiska tester.

Jag är övertygad om att detta materialsimuleringsarbete kommer att bidra till en ny kognitiv upptäcktsålder.