Netwerkwetenschap is hoe wiskundigen en softwareontwerpers gecompliceerde sociale netwerken zoals Facebook bouwen. Maar een groep onderzoekers van de Florida State University heeft ontdekt dat deze vergelijkingen ingenieurs veel kunnen vertellen over de samenstelling van verschillende materialen.

Met behulp van netwerkwetenschap - onderdeel van een groter wiskundig veld genaamd grafentheorie - FAMU-FSU hoogleraar werktuigbouwkunde William Oates, voormalig afgestudeerde student Peter Woerner en universitair hoofddocent Kunihiko "Sam" Taira brachten atoomkrachten op lange afstand in kaart op een ongelooflijk complexe grafiek om macroscopisch materiaalgedrag te simuleren.

De groep ontwikkelde en paste vervolgens een methode toe die de grafiek aanzienlijk vereenvoudigt, zodat andere onderzoekers het proces met andere materialen konden repliceren.

Het werk is gepubliceerd in het tijdschrift PLOS EEN .

Oates zei dat het gebruik van grafentheorie onderzoekers in staat stelt beter te begrijpen hoe de moleculen waaruit een materiaal bestaat op macroscopisch niveau werken.

"Alle atomen hebben elektronen en kernen met positieve ladingen, ze creëren krachten tussen de ionen, " zei Oates. "Het is een uitdaging om dat als een globale structuur te beschrijven. Er zijn methoden om moleculen te modelleren, maar de uitdaging is hoe macroscopisch gedrag te beschrijven. Weten hoe de moleculen op elkaar inwerken is slechts de helft van het probleem. Netwerkwetenschap biedt een unieke brug waarmee we de molecuuldynamiek naar de macroscopische wereld kunnen brengen."

uiteindelijk, onderzoekers willen alle atomaire interacties in een bepaald materiaal begrijpen, zodat ze kunnen begrijpen hoe en waarom materialen zich op bepaalde manieren gedragen, zei Oates. Maar als je alle atomaire interacties in een materiaal bijhoudt, het wordt een enorm probleem om op een computer op te lossen.

De groep van Oates werkte eraan om er een veel kleiner probleem van te maken.

Als we naar een grafiek kijken die de atomen in een materiaal laat zien, Oates dacht aan atomen en de krachten daartussen als kralen en veren. De atoomladingen verbinden deze kralen, en ze trillen op ingewikkelde manieren - sommige sneller en sommige langzamer.

Voor technische doeleinden, het was niet nodig om alle krachten bij te houden. Dus, de groep paste een methode toe om erachter te komen hoe de krachten in de grafiek opnieuw konden worden verbonden zonder fouten te maken.

Met behulp van die kennis, hun algoritme verwijderde bepaalde atomaire krachten in de grafiek en herbedraadde het zodat ze belangrijke informatie bewaarden terwijl het gemakkelijker werd om macroscopisch gedrag te berekenen.

"Je verwijdert de onbelangrijke dingen en bewaart de belangrijke onderdelen om de simulaties aanzienlijk sneller te laten verlopen, "Zei Oates. "Dat was echt het doel - om het te vereenvoudigen om het onderzoek naar computationele materialen te versnellen."

Het onderzoek van Oates wordt gefinancierd door het EAGER-programma van de National Science Foundation, een eenjarige infusie van financiering waarmee een faculteitslid een risicovol maar potentieel transformerend onderzoeksidee kan nastreven.

Deze eerste studie was meer een proof of concept, hij zei. Hij gaat nu kijken of deze grafiektheoretische methode onderzoekers kan vertellen hoe ze een materiaal efficiënter kunnen maken of hoe het sneller energie kan transporteren.

"Misschien kunnen we deze netwerkmodellen gebruiken om dat ontwerpproces te vergemakkelijken, ' zei Oates.