Het is gemakkelijk om veel als vanzelfsprekend aan te nemen. Wetenschappers doen dit wanneer ze stress bestuderen, de kracht per oppervlakte-eenheid op een voorwerp. Wetenschappers gaan wiskundig om met stress door aan te nemen dat het symmetrie heeft. Dat betekent dat de componenten van stress identiek zijn als je het gestresste object transformeert met zoiets als een draai of een salto. Supercomputersimulaties laten zien dat op atomair niveau, materiaalspanning gedraagt ​​zich niet symmetrisch. De bevindingen kunnen wetenschappers helpen bij het ontwerpen van nieuwe materialen zoals glas of metaal dat niet bevriest.

Dat blijkt uit een studie die in september 2018 is gepubliceerd in de Proceedings van de Royal Society A . Studie co-auteur Liming Xiong vatte de twee belangrijkste bevindingen samen. "De algemeen aanvaarde symmetrische eigenschap van een spanningstensor in de klassieke continuümmechanica is gebaseerd op bepaalde aannames, en ze zullen niet geldig zijn wanneer een materiaal wordt opgelost met een atomistische resolutie." Xiong vervolgde dat "de veelgebruikte formules voor atomaire Virial stress of Hardy stress de stress in de buurt van een stressconcentrator zoals een dislocatiekern aanzienlijk onderschatten, een scheurtip, of een interface, in een materiaal onder vervorming." Liming Xiong is een assistent-professor aan de afdeling Luchtvaart- en Ruimtevaarttechniek aan de Iowa State University.

Xiong en collega's behandelden stress op een andere manier dan de klassieke continuümmechanica, die ervan uitgaat dat een materiaal oneindig deelbaar is, zodat het moment van momentum verdwijnt voor het materiële punt als het volume nul nadert. In plaats daarvan, ze gebruikten de definitie door wiskundige A.L. Cauchy van spanning als de kracht per oppervlakte-eenheid die op drie rechthoekige vlakken werkt. Met dat, ze voerden moleculaire dynamische simulaties uit om de spanningstensor op atomaire schaal te meten van materialen met inhomogeniteiten veroorzaakt door dislocaties, fasegrenzen en gaten.

De rekenkundige uitdagingen, zei Xiong, zwellen op tot de grenzen van wat momenteel berekenbaar is als je te maken hebt met atomaire krachten die op elkaar inwerken in een klein deel van de ruimte van een regendruppel. "De mate van vrijheid die moet worden berekend, zal enorm zijn, omdat zelfs een monster ter grootte van een micron miljarden atomen zal bevatten. Miljarden atoomparen zullen een enorme hoeveelheid rekenkracht vergen, " zei Xiong.

Bovendien, voegde Xiong toe, is het ontbreken van een goed ingeburgerde computercode die kan worden gebruikt voor de lokale spanningsberekening op atomaire schaal. Zijn team gebruikte de open source LAMMPS Molecular Dynamics Simulator, het opnemen van het interatomaire potentieel van Lennard-Jones en gewijzigd door de parameters die ze in het papier hebben uitgewerkt. "In principe, we proberen twee uitdagingen aan te gaan, " zei Xiong. "Een daarvan is om stress op atomair niveau te herdefiniëren. De andere is, als we een goed gedefinieerde spanningsgrootheid hebben, kunnen we supercomputerbronnen gebruiken om het te berekenen?"

Xiong kreeg supercomputertoewijzingen op XSEDE, de Extreme Science and Engineering Discovery-omgeving, gefinancierd door de National Science Foundation. Dat gaf Xiong toegang tot het Comet-systeem in het San Diego Supercomputer Center; en Jetstream, een cloudomgeving ondersteund door Indiana University, de Universiteit van Arizona, en het Texas Advanced Computing Center.

"Jetstream is een zeer geschikt platform om een ​​computercode te ontwikkelen, debug het, en test het, " Xiong zei. "Jetstream is ontworpen voor kleinschalige berekeningen, niet voor grootschalige. Nadat de code was ontwikkeld en gebenchmarkt, we hebben het overgezet naar het petascale Comet-systeem om grootschalige simulaties uit te voeren met honderden tot duizenden processors. Dit is hoe we XSEDE-bronnen hebben gebruikt om dit onderzoek uit te voeren, " legde Xiong uit.

Het Jetstream-systeem is een configureerbare grootschalige computerresource die zowel on-demand als persistente virtuele machinetechnologie gebruikt om een ​​veel breder scala aan software-omgevingen en services te ondersteunen dan de huidige NSF-resources kunnen accommoderen.

"Het debuggen van die code vereiste cloudmonitoring en on-demand toewijzing van informatiebronnen, " herinnerde Xiong zich. "We moesten het eerst testen, omdat die code niet beschikbaar was. Jetstream heeft een unieke functie van cloudbewaking en on-demand toewijzing van informatiebronnen. Dit zijn voor ons de belangrijkste kenmerken om voor Jetstream te kiezen om de code te ontwikkelen."

"Wat indruk maakte op onze onderzoeksgroep over Jetstream, " ging Xiong verder, "was de cloudmonitoring. Tijdens de foutopsporingsfase van de code, we moeten echt in de gaten houden hoe de code presteert tijdens de berekening. Als de code niet volledig is ontwikkeld, als het nog niet gebenchmarkt is, we weten niet welk onderdeel een probleem heeft. De cloudmonitoring kan ons vertellen hoe de code presteert terwijl deze wordt uitgevoerd. Dit is zeer uniek, " zei Xiong.

Het simulatiewerk, zei Xiong, helpt wetenschappers de kloof te overbruggen tussen de micro- en de macroschaal van de werkelijkheid, in een methodologie die multischaalmodellering wordt genoemd. "Multiscale probeert het atomistische continuüm te overbruggen. Om een ​​methodologie voor multischaalmodellering te ontwikkelen, we moeten consistente definities hebben voor elke grootheid op elk niveau... Dit is erg belangrijk voor het opzetten van een zelfconsistent gelijktijdig atomistisch continuüm computationeel hulpmiddel. Met dat gereedschap we can predict the material performance, 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. Basically, 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.