Fordon som rör sig i hypersonisk hastighet bombarderas med iskristaller och dammpartiklar i den omgivande atmosfären, gör ytmaterialet sårbart för skador såsom erosion och sputtering vid varje liten kollision. Forskare vid University of Illinois i Urbana-Champaign studerade denna interaktion en molekyl i taget för att förstå processerna, skalade sedan upp data för att göra den kompatibel med simuleringar som kräver en större skala.

Doktorand Neil Mehta som arbetar med Prof. Deborah Levin tittade på två olika material som vanligtvis används på de yttre ytorna av smala kroppar – en slät grafen och en grövre kvarts. I modellen, dessa material attackerades av aggregat bestående av argonatomer och kisel- och syreatomer för att simulera is- och dammpartiklar som träffade de två ytmaterialen. Dessa molekylära dynamikstudier lärde dem vad som fastnade på ytorna, skadan som gjorts, och hur lång tid det tog att orsaka skadan – allt på storleken av en enda ångström, som i princip är längden på en atom.

Varför så liten? Mehta sa att det är viktigt att börja med att titta på "första principerna" för att grundligt förstå de erosiva effekterna av is och kiseldioxid på grafen- och kvartsytor. Men de som simulerar vätskedynamik använder längder som är flera millimeter mikrometer till cm - så det var brådskande att skala upp fysiken i MD-modellerna. Spänningen med detta arbete är att det var det första som någonsin gjorde det i den här applikationen.

"Tyvärr, du kan inte bara ta resultaten från denna mycket lilla ångströmsnivå och använda den i beräkningar av flygtekniska fordon, " Sa Mehta. "Du kan inte direkt hoppa från molekylär dynamik till beräkningsvätskedynamik. Det tar flera steg till. Att tillämpa rigoriteten hos kinetiska Monte Carlo-tekniker, vi tog detaljer i denna mycket lilla skala och analyserade de dominerande trenderna så att större simuleringstekniker kan använda dem i modelleringsprogram som simulerar utvecklingen av ytprocesser som sker under hypersonisk flygning, såsom erosion, sputtering, gropbildning.

"I vilken takt kommer dessa processer att hända och med vilken sannolikhet kommer dessa typer av skador att hända var nyckelfunktionerna som ingen annan Kinetic Monte Carlo eller scale brodging har använt tidigare, " han sa.

Enligt Mehta, verket är unikt eftersom det inkorporerade experimentella observationer av interaktioner mellan gas och yta och simuleringar av molekylär dynamik för att skapa en "första princip"-regel som kan tillämpas på alla dessa ytor.

"Till exempel, is har en tendens att bilda flingor, iskristaller. Det skapar ett fraktalt mönster eftersom is gillar att fastna på en annan is, så det är mer troligt att vattenångan kondenserar bredvid en ispartikel som redan finns på ytan och skapar en spaljéliknande funktion. Medan sand bara sprider sig. Den har ingen preferens. Så en regel är att is gillar att fastna på annan is.

"Liknande, för nedbrytning, regeln för grafen är att det är mer sannolikt att skada uppstår vid sidan av redan existerande skada, " Sa Mehta. "Det finns flera regler, beroende på vilket material du använder, att du faktiskt kan studera vad som händer från en atomnivå till ett mikrometerlandskap, använd sedan resultaten för att implementera i beräkningsvätskedynamik eller någon lång, storskalig simulering, " sa Mehta.

En ansökan för detta arbete är forskning om hur man designar termiska skyddssystem för smala fordon och små satelliter på höjder nära 100 km.

Studien, "Multiscale modellering av skadad yttopologi i en hypersonisk gräns, " skrevs av Neil A. Mehta och Deborah A. Levin. Den är publicerad i Journal of Chemical Physics .