Os veículos que se movem em velocidades hipersônicas são bombardeados com cristais de gelo e partículas de poeira na atmosfera circundante, tornando o material da superfície vulnerável a danos, como erosão e pulverização catódica a cada pequena colisão. Pesquisadores da Universidade de Illinois em Urbana-Champaign estudaram essa interação uma molécula de cada vez para entender os processos, em seguida, ampliou os dados para torná-los compatíveis com simulações que exigem uma escala maior.

O estudante de doutorado Neil Mehta trabalhando com a Prof. Deborah Levin olhou para dois materiais diferentes que são comumente usados ​​nas superfícies externas de corpos delgados - um grafeno liso e um quartzo mais áspero. No modelo, esses materiais foram atacados por agregados compostos de átomos de argônio e átomos de silício e oxigênio para simular gelo e partículas de poeira atingindo os dois materiais da superfície. Esses estudos de dinâmica molecular ensinaram a eles o que fica preso nas superfícies, o dano feito, e o tempo que levou para causar o dano - tudo do tamanho de um único angstrom, que é basicamente o comprimento de um átomo.

Por que tão pequeno? Mehta disse que é importante começar examinando os "primeiros princípios" para entender completamente os efeitos erosivos do gelo e da sílica nas superfícies de grafeno e quartzo. Mas aqueles que simulam a dinâmica dos fluidos usam comprimentos que variam de vários milimetros micrômetro a cm - portanto, aumentar a escala da física dos modelos de MD era urgentemente necessário. A empolgação com este trabalho é que ele foi o primeiro a fazê-lo neste aplicativo.

"Infelizmente, você não pode simplesmente pegar os resultados deste nível de angstrom muito pequeno e usá-los em cálculos de veículos de reentrada de engenharia aeroespacial, "Disse Mehta." Você não pode pular diretamente da dinâmica molecular para a dinâmica dos fluidos computacional. São necessários vários outros passos. Aplicando o rigor das técnicas cinéticas de Monte Carlo, pegamos detalhes nesta escala muito pequena e analisamos as tendências dominantes para que técnicas de simulação maiores possam usá-las em programas de modelagem que simulam a evolução dos processos de superfície que ocorrem no vôo hipersônico, como erosão, cuspindo, corrosão.

"A que taxa esses processos acontecerão e com que probabilidade esses tipos de danos acontecerão foram os principais recursos que nenhum outro Monte Carlo Cinético ou ponte de escala usou antes, " ele disse.

De acordo com Mehta, o trabalho é único porque incorporou observações experimentais de interações gás-superfície e simulações de dinâmica molecular para criar uma regra de "primeiros princípios" que pode ser aplicada a todas essas superfícies.

"Por exemplo, o gelo tem tendência a formar flocos, cristais de gelo. Ele cria um padrão fractal porque o gelo gosta de grudar em outro gelo, portanto, é mais provável que o vapor d'água se condense próximo a uma partícula de gelo que já está na superfície e crie uma característica parecida com uma treliça. Considerando que a areia apenas se espalha. Não tem preferência. Portanto, uma regra é que o gelo gosta de grudar em outro gelo.

"De forma similar, para degradação, a regra sobre o grafeno é que o dano é mais provável de ocorrer próximo ao dano pré-existente, "Disse Mehta." Existem várias regras, dependendo do material que você está usando, que você pode realmente estudar o que acontece de um nível atômico a uma paisagem micrométrica, em seguida, use os resultados para implementar em dinâmica de fluidos computacional ou qualquer longo, simulação em grande escala, "Disse Mehta.

Uma aplicação para este trabalho é a pesquisa sobre como projetar sistemas de proteção térmica para veículos esguios e pequenos satélites em altitudes próximas a 100 km.

O estudo, "Modelagem multiescala de topologia de superfície danificada em um limite hipersônico, "foi escrito por Neil A. Mehta e Deborah A. Levin. É publicado na Journal of Chemical Physics .