Es fácil dar muchas cosas por sentado. Los científicos hacen esto cuando estudian el estrés, la fuerza por unidad de área sobre un objeto. Los científicos manejan el estrés matemáticamente asumiendo que tiene simetría. Eso significa que los componentes del estrés son idénticos si transforma el objeto estresado con algo como un giro o una voltereta. Las simulaciones de supercomputadoras muestran que a nivel atómico, el estrés material no se comporta simétricamente. Los hallazgos podrían ayudar a los científicos a diseñar nuevos materiales como vidrio o metal que no se hiele.

Eso es según un estudio publicado en septiembre de 2018 en el Actas de la Royal Society A . El coautor del estudio, Liming Xiong, resumió los dos hallazgos principales. "La propiedad simétrica comúnmente aceptada de un tensor de tensión en la mecánica del continuo clásico se basa en ciertos supuestos, y no serán válidas cuando un material se resuelva en una resolución atomística ". Xiong continuó diciendo que" las fórmulas de estrés virial atómico o de estrés Hardy, ampliamente utilizadas, subestiman significativamente el estrés cerca de un concentrador de estrés, como un núcleo de dislocación, una punta de crack, o una interfaz, en un material bajo deformación ". Liming Xiong es profesor asistente en el Departamento de Ingeniería Aeroespacial de la Universidad Estatal de Iowa.

Xiong y sus colegas trataron el estrés de una manera diferente a la mecánica clásica del continuo, lo que supone que un material es infinitamente divisible, de modo que el momento del momento se desvanece para el punto material cuando su volumen se acerca a cero. En lugar de, utilizaron la definición del matemático A.L. Cauchy de tensión como la fuerza por unidad de área que actúa sobre tres planos rectangulares. Con ese, llevaron a cabo simulaciones de dinámica molecular para medir el tensor de tensión a escala atómica de materiales con inhomogeneidades causadas por dislocaciones, límites de fase y huecos.

Los desafíos computacionales, dijo Xiong, aumenta hasta los límites de lo que actualmente es computable cuando se trata de fuerzas atómicas que interactúan dentro de una pequeña fracción del espacio de una gota de lluvia. "El grado de libertad que debe calcularse será enorme, porque incluso una muestra del tamaño de una micra contendrá miles de millones de átomos. Miles de millones de pares atómicos requerirán una gran cantidad de recursos de cálculo, "dijo Xiong.

Y lo que es más, agregó Xiong, es la falta de un código informático bien establecido que pueda utilizarse para el cálculo de la tensión local a escala atómica. Su equipo utilizó el simulador de dinámica molecular LAMMPS de código abierto, incorporando el potencial interatómico de Lennard-Jones y modificado a través de los parámetros que trabajaron en el documento. "Básicamente, estamos tratando de enfrentar dos desafíos, ", Dijo Xiong." Una es redefinir el estrés a nivel atómico. El otro es si tenemos una cantidad de estrés bien definida, ¿Podemos utilizar los recursos de la supercomputadora para calcularlo? "

Xiong recibió asignaciones de supercomputadoras en XSEDE, el entorno de descubrimiento de ciencias e ingeniería extremas, financiado por la National Science Foundation. Eso le dio a Xiong acceso al sistema Comet en el Supercomputer Center de San Diego; y Jetstream, un entorno de nube respaldado por la Universidad de Indiana, la Universidad de Arizona, y el Centro de Computación Avanzada de Texas.

"Jetstream es una plataforma muy adecuada para desarrollar un código informático, depurarlo, y pruébalo, ", Dijo Xiong." Jetstream está diseñado para cálculos a pequeña escala, no para los de gran escala. Una vez que el código fue desarrollado y comparado, lo trasladamos al sistema Comet de petascale para realizar simulaciones a gran escala utilizando cientos o miles de procesadores. Así es como usamos los recursos de XSEDE para realizar esta investigación, "Explicó Xiong.

El sistema Jetstream es un recurso informático configurable a gran escala que aprovecha la tecnología de máquina virtual persistente y bajo demanda para admitir una gama mucho más amplia de entornos y servicios de software que los que pueden admitir los recursos actuales de NSF.

"La depuración de ese código necesitaba supervisión en la nube y asignación de recursos de inteligencia bajo demanda, ", Recordó Xiong." Necesitábamos probarlo primero, porque ese código no estaba disponible. Jetstream tiene una característica única de monitoreo en la nube y asignación de recursos de inteligencia bajo demanda. Estas son las características más importantes para que podamos elegir Jetstream para desarrollar el código ".

"Lo que más impresionó a nuestro grupo de investigación sobre Jetstream, "Xiong continuó, "fue el monitoreo en la nube. Durante la etapa de depuración del código, realmente necesitamos monitorear cómo se está desempeñando el código durante el cálculo. Si el código no está completamente desarrollado, si aún no está comparado, no sabemos qué parte tiene un problema. El monitoreo en la nube puede decirnos cómo se está desempeñando el código mientras se ejecuta. Esto es muy singular "dijo Xiong.

El trabajo de simulación, dijo Xiong, ayuda a los científicos a cerrar la brecha entre las escalas micro y macro de la realidad, en una metodología llamada modelado multiescala. "Multiscale está tratando de tender un puente sobre el continuo atomístico. Con el fin de desarrollar una metodología para el modelado multiescala, necesitamos tener definiciones consistentes para cada cantidad en cada nivel ... Esto es muy importante para el establecimiento de una herramienta computacional de continuo atomístico concurrente autoconsistente. Con esa herramienta, podemos predecir el rendimiento del material, the qualities and the behaviors from the bottom up. By just considering the material as a collection of atoms, we can predict its behaviors. Stress is just a stepping stone. Con ese, 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. Básicamente, 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.