É fácil dar muito valor. Os cientistas fazem isso quando estudam o estresse, a força por unidade de área em um objeto. Os cientistas lidam com o estresse matematicamente, assumindo que ele tem simetria. Isso significa que os componentes da tensão são idênticos se você transformar o objeto estressado com algo como uma curva ou uma virada. Simulações de supercomputadores mostram que, em nível atômico, a tensão do material não se comporta simetricamente. As descobertas podem ajudar os cientistas a projetar novos materiais, como vidro ou metal, que não congelam.

Isso está de acordo com um estudo publicado em setembro de 2018 no Anais da Royal Society A . O coautor do estudo Liming Xiong resumiu as duas principais conclusões. "A propriedade simétrica comumente aceita de um tensor de tensão na mecânica contínua clássica é baseada em certas suposições, e não serão válidos quando um material for resolvido em uma resolução atomística ". Xiong continuou que" a tensão Virial atômica amplamente usada ou as fórmulas de tensão de Hardy subestimam significativamente a tensão perto de um concentrador de tensão, como um núcleo de deslocamento, uma ponta de crack, ou uma interface, em um material sob deformação. "Liming Xiong é professor assistente no Departamento de Engenharia Aeroespacial da Iowa State University.

Xiong e colegas trataram o estresse de uma maneira diferente da mecânica contínua clássica, que assume que um material é infinitamente divisível, de modo que o momento do momento desaparece para o ponto material à medida que seu volume se aproxima de zero. Em vez de, eles usaram a definição do matemático A.L. Cauchy de tensão como a força por unidade de área atuando em três planos retangulares. Com isso, eles realizaram simulações de dinâmica molecular para medir o tensor de tensão em escala atômica de materiais com inomogeneidades causadas por deslocamentos, limites e lacunas de fase.

Os desafios computacionais, disse Xiong, aumentar até os limites do que é atualmente computável quando se lida com forças atômicas interagindo dentro de uma minúscula fração do espaço de uma gota de chuva. "O grau de liberdade que precisa ser calculado será enorme, porque mesmo uma amostra do tamanho de um mícron conterá bilhões de átomos. Bilhões de pares atômicos exigirão uma grande quantidade de recursos de computação, "disse Xiong.

O que mais, adicionado Xiong, é a falta de um código de computador bem estabelecido que possa ser usado para o cálculo de tensões locais em escala atômica. Sua equipe usou o Simulador de Dinâmica Molecular LAMMPS de código aberto, incorporando o potencial interatômico de Lennard-Jones e modificado por meio dos parâmetros que trabalharam no artigo. "Basicamente, estamos tentando enfrentar dois desafios, "Xiong disse." Uma é redefinir o estresse em um nível atômico. O outro é, se tivermos uma quantidade de estresse bem definida, podemos usar recursos de supercomputador para calculá-lo? "

Xiong recebeu alocações de supercomputador no XSEDE, o Ambiente Extremo de Descoberta de Ciência e Engenharia, financiado pela National Science Foundation. Isso deu à Xiong acesso ao sistema Comet no San Diego Supercomputer Center; e Jetstream, um ambiente de nuvem com suporte da Indiana University, a Universidade do Arizona, e o Texas Advanced Computing Center.

"Jetstream é uma plataforma muito adequada para desenvolver um código de computador, depure-o, e teste, "Xiong disse." Jetstream é projetado para cálculos de pequena escala, não para os de grande escala. Uma vez que o código foi desenvolvido e testado, nós o portamos para o sistema petascale Comet para realizar simulações em grande escala usando centenas a milhares de processadores. É assim que usamos os recursos do XSEDE para realizar esta pesquisa, "Xiong explicou.

O sistema Jetstream é um recurso de computação configurável em grande escala que aproveita a tecnologia de máquina virtual persistente e sob demanda para oferecer suporte a uma gama muito mais ampla de ambientes de software e serviços do que os recursos NSF atuais podem acomodar.

"A depuração desse código precisava de monitoramento em nuvem e alocação de recursos de inteligência sob demanda, "Xiong lembrou." Precisávamos testá-lo primeiro, porque esse código não estava disponível. A Jetstream tem um recurso exclusivo de monitoramento de nuvem e alocação de recursos de inteligência sob demanda. Esses são os recursos mais importantes para escolhermos a Jetstream para desenvolver o código. "

"O que mais impressionou nosso grupo de pesquisa sobre a Jetstream, "Xiong continuou, "foi o monitoramento da nuvem. Durante a fase de depuração do código, realmente precisamos monitorar o desempenho do código durante o cálculo. Se o código não estiver totalmente desenvolvido, se ainda não foi avaliado, não sabemos qual parte está apresentando problemas. O monitoramento da nuvem pode nos dizer como o código está sendo executado enquanto é executado. Isso é muito único, "disse Xiong.

O trabalho de simulação, disse Xiong, ajuda os cientistas a preencher a lacuna entre as escalas micro e macro da realidade, em uma metodologia chamada modelagem multiescala. "A multiescala está tentando construir uma ponte sobre o continuum atomístico. Para desenvolver uma metodologia de modelagem multiescala, precisamos ter definições consistentes para cada quantidade em cada nível ... Isso é muito importante para o estabelecimento de uma ferramenta computacional atomística-contínua simultânea autoconsistente. Com essa ferramenta, podemos prever o desempenho do 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. With that, 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. Basicamente, 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.