La ciencia de las redes es la forma en que los matemáticos y los diseñadores de software construyen redes sociales complicadas como Facebook. Pero un grupo de investigadores de la Universidad Estatal de Florida ha descubierto que estas ecuaciones pueden decir mucho a los ingenieros sobre la composición de diferentes materiales.
Utilizando la ciencia de redes, parte de un campo matemático más amplio llamado teoría de grafos, el profesor de ingeniería mecánica de FAMU-FSU William Oates, El ex estudiante de posgrado Peter Woerner y el profesor asociado Kunihiko "Sam" Taira mapearon las fuerzas atómicas de largo alcance en un gráfico increíblemente complejo para simular el comportamiento del material macroscópico.
Luego, el grupo desarrolló y aplicó un método que simplifica enormemente el gráfico para que otros investigadores pudieran replicar el proceso con otros materiales.
El trabajo se publica en la revista MÁS UNO .
Oates dijo que el uso de la teoría de grafos permite a los investigadores comprender mejor cómo funcionan las moléculas que componen un material a nivel macroscópico.
"Todos los átomos tienen electrones y núcleos con cargas positivas, crean fuerzas entre los iones, ", Dijo Oates." Tratar de describir eso como una estructura global es un desafío. Existen métodos para modelar moléculas, pero el desafío es cómo describir el comportamiento macroscópico. Saber cómo interactúan las moléculas es solo la mitad del problema. La ciencia de la red proporciona un puente único que nos permite llevar la dinámica de las moléculas al mundo macroscópico ".
Por último, los investigadores quieren comprender todas las interacciones atómicas en un material dado para poder comprender cómo y por qué los materiales se comportan de cierta manera, Dijo Oates. Pero cuando realiza un seguimiento de todas las interacciones atómicas en un material, se convierte en un gran problema para resolver en una computadora.
El grupo de Oates trabajó para convertirlo en un problema mucho menor.
Al observar una gráfica que muestra los átomos en un material, Oates dijo que pensaba en los átomos y las fuerzas entre ellos como perlas y resortes. Las cargas atómicas conectan estas perlas, y vibran de formas complicadas, algunas más rápidas y otras más lentas.
Para fines de ingeniería, no era necesario hacer un seguimiento de todas las fuerzas. Entonces, el grupo aplicó un método para averiguar cómo se podrían reconectar las fuerzas en el gráfico sin crear errores.
Usando ese conocimiento, su algoritmo eliminó ciertas fuerzas atómicas dentro del gráfico y lo reconectó para que mantuvieran información importante y facilitaran el cálculo del comportamiento macroscópico.
"Elimina las cosas sin importancia y conserva las partes importantes para que las simulaciones se ejecuten sustancialmente más rápido, ", Dijo Oates." Ese era realmente el objetivo:simplificarlo para acelerar la investigación de materiales computacionales ".
La investigación de Oates está financiada por el programa EAGER de la National Science Foundation, una inyección de financiación de un año que permite a un miembro de la facultad perseguir una idea de investigación de alto riesgo pero potencialmente transformadora.
Este primer estudio fue más una prueba de concepto, él dijo. Ahora analizará si este método teórico de gráficos puede decirles a los investigadores cómo hacer que un material sea más eficiente o cómo podría transportar energía más rápido.
"Podríamos utilizar estos modelos de red para ayudar a facilitar ese proceso de diseño, "Dijo Oates.