Superdatorer kan användas för att simulera material i mycket olika skalor, från luftflödet förbi ett flygplanets vinge ner till elektronernas rörelse runt enskilda atomer. Olika längd- och tidsskaladomäner ger olika informationsnivåer, men lite är för närvarande känt om hur dessa informationsnivåer hänger ihop. Professor Peter Coveney från University College London har stått i spetsen för ett långsiktigt program som syftar till att ansluta vågen, relaterar atomen och molekylernas beteende till konkreta egenskaper vid makroskala.

I slutet av 1980 -talet forskare från Toyota visade att genom att förstärka polymerer som nylon med lera i nanoskala, en betydande förbättring av ett stort antal tekniska egenskaper kan göras. Känd som lerpolymer-nanokompositer, dessa material har mycket låg densitet men är också tuffa och starka - idealiska egenskaper för byggande av fordon.

Omfattande forskning om dessa material har pågått sedan dess, och även om det har varit en viss framgång med att hitta användbara nya kompositer, det har visat sig vara svårt. Samma forskare som gjorde den första upptäckten när de arbetade för Toyota skrev nyligen om den relativa bristen på sådana upptäckter sedan deras genombrott för nästan trettio år sedan, med hänvisning till den krävande prövning och felkaraktär som krävs av de undersökande experiment som krävs, men också en grundläggande brist på förståelse för hur och varför material som lera-polymer-nanokompositer har sådana avvikande egenskaper.

Professor Peter Coveney från University College London, i samarbete med sina kollegor Dr James Suter och Dr Derek Groen, har arbetat med sätt att ansluta olika representationer av materia tillsammans, som han tror är det första steget mot att påskynda processen att upptäcka nya och användbara material. "Tänka, till exempel, ett material som har gått sönder. På molekylär nivå, detta visas som brytning av kemiska bindningar av elektroner som rör sig mellan atomer, manifestationen i större skala skulle vara att bryta en komponent av det materialet. Dessa är mycket olika representationer av samma händelse, men båda är lika korrekta. Att simulera denna händelse separat i olika skalor är relativt enkelt. Det som inte är så lätt är att ansluta de två - att extrapolera makroskalegenskaperna för ett material från dess kemiska sammansättning. "

Att skapa en beskrivning av ett material som fungerar i alla skalor utan att behöva injicera ad hoc -parametrar på högre nivåer är ett avgörande steg mot upptäckt av silikomaterial. För att ta bort "multiskala modellering", som det är känt, parametrarna på lägsta nivå måste vara extremt exakta, och de mest kraftfulla datorerna behövs för att köra simuleringarna. Men belöningarna för att lyckas med denna uppgift är stora; om man kan förutsäga materialets användbara fysiska egenskaper från dess molekylära struktur, då kan kostsamma och tidskrävande test- och felförsök elimineras från upptäcktsprocessen.

I februari 2015, tidningen Advanced Materials publicerade en uppsats av Suter, Groen och Coveney som diskuterar egenskaperna hos ett antal lerpolymer -nanokompositer. Dock, det är inte de specifika materialen som gör papperet så intressant, utan snarare de banbrytande metoderna bakom forskningen. I tidningen, de beskriver en metod som kan användas för att beräkna egenskaperna hos lerpolymer -nanokompositer med hjälp av multiskala modellering. De enda ingångarna som behövs för detta "virtuella laboratorium" är kemisk sammansättning, molekylär struktur, och bearbetningsvillkor, och i gengäld ger den information som i stort sett aldrig har visats tidigare i någon form av modellering, än mindre i ett experiment.

"Genom att ansluta alla skalor till en multiskala modell, vi kunde visa hur polymerer kommer in i lerlagren - hur det händer och hur lång tid det tar, "säger Coveney." Lera finns naturligt som staplade ark som kallas taktoider. När du lägger till en polymer, det kommer att bryta upp denna naturliga konfiguration - inkapsling, exfoliera eller interkalera staplarna. Vår simulering visade att kompositen sedan ordnar sig i en viss orientering, så att materialegenskaperna börjar se väldigt annorlunda ut än vad du kan förutsäga från en linjär kombination av egenskaperna hos lera och polymeren. "

Tidningen ansågs så viktig av Advanced Materials att för första gången i hela sin historia publicerade high impact -tidskriften en utökad funktion så att metoderna bakom arbetet kunde förklaras fullt ut. "Möjligheten att modellera och simulera egenskaperna hos ett material på detta sätt har öppnat dörren för att göra förutsägelser som kan påskynda många vetenskapliga upptäcktsprocesser, inte bara inom lerpolymer-nanokompositer, "förklarar Coveney.

Grafen, till exempel, är ett material som länge har framstått som ett modernt underverk som så småningom kommer att revolutionera många forskningsområden. Dock, att leverera de praktiska tillämpningarna av grafen har visat sig vara svårt, inte minst på grund av utmaningarna att producera den i tillräckligt stora mängder. Multiskala modellering kan användas för att modellera den industriella produktionen av grafen genom att exfoliera 2D -ark grafen från grafit - en process som liknar exfoliering av lertaktoider vid produktion av lerpolymer -nanokompositer.

Coveney och hans forskare har gjort omfattande användning av Tier-0 PRACE superdatorer, inklusive 40,5 miljoner kärntimmar på JUGENE BlueGene/P vid FZJ. "Att utföra multiskala simuleringar faller under det vi kallar" heroiska datoruppgifter ", han säger. "Jag tror personligen att materialvetenskapens framtid ligger i att få en korrekt förståelse av kompositer, och detta är mycket beroende av våra modeller och simuleringars high fidelity -karaktär. Tier-0 superdatorer som de som tillhandahålls av PRACE är absolut nödvändiga för att köra dessa simuleringar under genomförbara tidsperioder, och därför lutar framgången för vårt arbete och framtida arbete som använder våra metoder på forskarnas tillgång till dessa värdefulla resurser. "

På kort sikt, teamets metoder har potential att påskynda vetenskaplig upptäckt och förståelse. I det långa loppet, materialvetenskap kommer att ändras till det bättre, by eliminating a lot of the trial and error that currently besets the development of useful materials.