Det är lätt att ta mycket för givet. Forskare gör detta när de studerar stress, kraften per ytenhet på ett föremål. Forskare hanterar stress matematiskt genom att anta att den har symmetri. Det betyder att komponenterna i spänningen är identiska om du omvandlar det stressade objektet med något som en sväng eller en vändning. Superdatorer simuleringar visar att på atomnivå, materiell stress beter sig inte symmetriskt. Resultaten kan hjälpa forskare att designa nya material som glas eller metall som inte isar upp.

Det visar en studie som publicerades september 2018 i Förfaranden från Royal Society A . Studie medförfattare Liming Xiong sammanfattade de två huvudsakliga resultaten. "Den allmänt accepterade symmetriska egenskapen för en spänningstensor i klassisk kontinuummekanik bygger på vissa antaganden, och de kommer inte att vara giltiga när ett material är upplöst med en atomistisk upplösning. "Xiong fortsatte att" den mycket använda atomiska viral stress- eller Hardy -stressformeln signifikant underskattar stressen nära en spänningskoncentrator, till exempel en dislokationskärna, ett sprickspets, eller ett gränssnitt, i ett material under deformation. "Liming Xiong är biträdande professor vid Institutionen för rymdteknik vid Iowa State University.

Xiong och kollegor behandlade stress på ett annat sätt än klassisk kontinuummekanik, som förutsätter att ett material är oändligt delbart så att momentumets momentum försvinner för materialpunkten när dess volym närmar sig noll. Istället, de använde definitionen av matematiker AL Cauchy av stress som kraften per ytenhet som verkar på tre rektangulära plan. Med det, de genomförde molekylära dynamiksimuleringar för att mäta atomens skalastresstensor av material med inhomogeniteter orsakade av dislokationer, fasgränser och hål.

Beräkningsutmaningarna, sa Xiong, svälla upp till gränserna för vad som för närvarande är beräknat när man hanterar atomkrafter som interagerar inuti en liten bråkdel av en regndropps utrymme. "Frihetsgraden som måste beräknas kommer att vara enorm, eftersom även ett mikronstor prov kommer att innehålla miljarder atomer. Miljarder atompar kommer att kräva en enorm mängd beräkningsresurser, "sa Xiong.

Vad mer, lagt till Xiong, är avsaknaden av en väletablerad datorkod som kan användas för lokal spänningsberäkning i atomskala. Hans team använde LAMMPS Molecular Dynamics Simulator med öppen källkod, införliva Lennard-Jones interatomiska potential och modifierad genom parametrarna som de utarbetade i tidningen. "I grund och botten, vi försöker möta två utmaningar, "Sa Xiong." Det ena är att omdefiniera stress på atomnivå. Den andra är, om vi har en väldefinierad stressmängd, kan vi använda superdatorresurser för att beräkna det? "

Xiong tilldelades superdatorallokeringar på XSEDE, Extreme Science and Engineering Discovery Environment, finansierad av National Science Foundation. Det gav Xiong tillgång till Comet -systemet vid San Diego Supercomputer Center; och Jetstream, en molnmiljö som stöds av Indiana University, University of Arizona, och Texas Advanced Computing Center.

"Jetstream är en mycket lämplig plattform för att utveckla en datorkod, felsöka det, och testa det, "Sa Xiong." Jetstream är utformat för småskaliga beräkningar, inte för storskaliga. När koden utvecklats och jämförts, vi överförde det till petascale Comet-systemet för att utföra storskaliga simuleringar med hundratals till tusentals processorer. Så här använde vi XSEDE -resurser för att utföra denna forskning, "Förklarade Xiong.

Jetstream-systemet är en konfigurerbar storskalig datorresurs som utnyttjar både on-demand och ihållande virtuell maskinteknik för att stödja ett mycket bredare utbud av mjukvarumiljöer och tjänster än nuvarande NSF-resurser kan ta emot.

"Felsökningen av den koden behövde molnövervakning och on-demand intelligensresursallokering, "Återkallade Xiong." Vi behövde testa det först, eftersom den koden inte var tillgänglig. Jetstream har en unik funktion för molnövervakning och on-demand intelligensresursallokering. Det här är de viktigaste funktionerna för oss att välja Jetstream för att utveckla koden. "

"Vad som imponerade vår forskargrupp mest om Jetstream, "Xiong fortsatte, "var molnövervakningen. Under felsökningssteget för koden, vi måste verkligen övervaka hur koden fungerar under beräkningen. Om koden inte är helt utvecklad, om det inte är riktmärke än, vi vet inte vilken del som har problem. Molnövervakningen kan berätta hur koden fungerar medan den körs. Detta är väldigt unikt, "sa Xiong.

Simuleringsarbetet, sa Xiong, hjälper forskare att överbrygga klyftan mellan mikro- och makroskalorna i verkligheten, i en metod som kallas multiscale modellering. "Multiscale försöker överbrygga det atomistiska kontinuumet. För att utveckla en metod för multiskala modellering, vi måste ha konsekventa definitioner för varje kvantitet på varje nivå ... Detta är mycket viktigt för inrättandet av ett självkonsistent samtidigt atomistiskt kontinuumberäkningsverktyg. Med det verktyget, vi kan förutsäga materialprestanda, kvaliteterna och beteenden nerifrån och upp. Genom att bara betrakta materialet som en samling atomer, we can predict its behaviors. Stress is just a stepping stone. Med det, we have the quantities to bridge the continuum, " Xiong said.

Xiong and his research group are working on several projects to apply their understanding of stress to design new materials with novel properties. "One of them is de-icing from the surfaces of materials, " Xiong explained. "A common phenomenon you can observe is ice that forms on a car window in cold weather. If you want to remove it, you need to apply a force on the ice. The force and energy required to remove that ice is related to the stress tensor definition and the interfaces between ice and the car window. Basically, the stress definition, if it's clear at a local scale, it will provide the main guidance to use in our daily life."

Xiong sees great value in the computational side of science. "Supercomputing is a really powerful way to compute. Nowadays, people want to speed up the development of new materials. We want to fabricate and understand the material behavior before putting it into mass production. That will require a predictive simulation tool. That predictive simulation tool really considers materials as a collection of atoms. The degree of freedom associated with atoms will be huge. Even a micron-sized sample will contain billions of atoms. Only a supercomputer can help. This is very unique for supercomputing, " said Xiong.