Nätverksvetenskap är hur matematiker och programvarudesigners konstruerar komplicerade sociala nätverk som Facebook. Men en grupp forskare vid Florida State University har funnit att dessa ekvationer kan berätta för ingenjörer mycket om sammansättningen av olika material.

Med hjälp av nätverksvetenskap-en del av ett större matematiskt område som kallas grafteori-FAMU-FSU professor i maskinteknik William Oates, före detta doktoranden Peter Woerner och docent Kunihiko "Sam" Taira kartlade långa atomkraftar till en otroligt komplex graf för att simulera makroskopiskt materialbeteende.

Gruppen utvecklade sedan och tillämpade en metod som förenklar grafen kraftigt så att andra forskare kan replikera processen med andra material.

Arbetet publiceras i tidskriften PLOS ONE .

Oates sa att med hjälp av grafteori kan forskare bättre förstå hur molekylerna som komponerar ett material fungerar på en makroskopisk nivå.

"Alla atomer har elektroner och kärnor med positiva laddningar, de skapar krafter mellan jonerna, "Oates sa." Att försöka beskriva det som en global struktur är utmanande. Det finns metoder för att modellera molekyler, men utmaningen är hur man beskriver makroskopiskt beteende. Att veta hur molekylerna interagerar är bara hälften av problemet. Nätverksvetenskap ger en unik bro som gör att vi kan ta molekylens dynamik till den makroskopiska världen. "

I sista hand, forskare vill förstå alla atomiska interaktioner i ett givet material så att de kan förstå hur och varför material beter sig på vissa sätt, Oates sa. Men när du håller reda på alla atomiska interaktioner i ett material, det blir ett stort problem att lösa på en dator.

Oates grupp arbetade för att göra det till ett mycket mindre problem.

När man tittar på en graf som visar atomerna i ett material, Oates sägs tänka på atomer och krafterna mellan dem som pärlor och fjädrar. Atomladdningarna förbinder dessa pärlor, och de vibrerar på komplicerade sätt - vissa snabbare och några långsammare.

För tekniska ändamål, det var inte nödvändigt att hålla koll på alla krafter. Så, gruppen använde en metod för att ta reda på hur krafterna i grafen kan återanslutas utan att skapa fel.

Med hjälp av den kunskapen, deras algoritm raderade vissa atomkrafter i grafen och kopplade om den så att de behöll viktig information samtidigt som det gjorde det lättare att beräkna makroskopiskt beteende.

"Du skär bort de oviktiga grejerna och behåller de viktiga delarna för att simuleringarna ska gå betydligt snabbare, "Sa Oates." Det var verkligen målet - att förenkla det för att påskynda beräkningsmaterialforskning. "

Oates forskning finansieras av National Science Foundations EAGER -program, en ettårig finansiering som gör att en fakultetsmedlem kan driva en högrisk men potentiellt transformativ forskningsidé.

Denna första studie var mer ett bevis på koncept, han sa. Han kommer nu att titta på om denna grafteoretiska metod kan berätta för forskare hur man gör ett material mer effektivt eller hur det kan transportera energi snabbare.

"Vi kanske kan använda dessa nätverksmodeller för att underlätta designprocessen, "Sa Oates.