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工程研究人员使用网络科学来了解材料的工作原理

2019-04-19 10:03:23   来源:

网络科学是数学家和软件设计师如何构建像Facebook这样复杂的社交网络。但佛罗里达州立大学的一组研究人员发现,这些方程可以告诉工程师很多关于不同材料的成分。

使用网络科学 - 一个更大的数学领域的一部分,称为图论 - FAMU-FSU机械工程教授William Oates,前研究生Peter Woerner和副教授Kunihiko“Sam”Taira将远程原子力映射到一个非常复杂的图形上模拟宏观材料行为。

该小组随后开发并应用了一种方法,该方法极大地简化了图表,以便其他研究人员可以使用其他材料复制该过程。

这项工作发表在PLOS ONE期刊上。

奥茨说,使用图论可以使研究人员更好地了解构成材料的分子如何在宏观层面上发挥作用。

“所有原子都有带正电荷的电子和原子核,它们在离子间产生力,”奥茨说。“试图将其描述为全球结构具有挑战性。有分析模型的方法,但挑战在于如何描述宏观行为。了解分子如何相互作用只是问题的一半。网络科学提供了一个独特的桥梁,使我们能够将分子动力学带入宏观世界。“

最终,研究人员希望了解给定材料中的所有原子相互作用,以便他们能够理解材料在某些方面的行为方式和原因,Oates说。但是,当您跟踪材料中的所有原子相互作用时,在计算机上解决它将成为一个巨大的问题。

奥茨的小组努力使其成为一个小得多的问题。

在查看显示材料中原子的图表时,Oates说要将原子和它们之间的力量视为珠子和弹簧。原子电荷连接这些珠子,它们以复杂的方式振动 - 一些更快,一些更慢。

出于工程目的,没有必要跟踪所有的力量。因此,该小组应用了一种方法来确定如何重新连接图中的力而不会产生错误。

利用这些知识,他们的算法删除了图中的某些原子力,并对其进行了重新布线,以便保留重要信息,同时使计算宏观行为更加容易。

“你削减了不重要的东西并保留了重要的部分,使模拟运行得更快,”奥茨说。“这才是真正的目标 - 简化它以加速计算材料研究。”

Oates的研究由美国国家科学基金会的EAGER项目资助,该项目为期一年,可以让教师追求高风险但具有潜在变革性的研究理念。

他说,这项首次研究更像是一个概念证明。他现在将研究这种图论方法是否能告诉研究人员如何使材料更有效或如何更快地传输能量。

“我们或许可以使用这些网络模型来帮助促进设计过程,”Oates说。

FAMU-FSU工程学院的博士生Aditya Nair也参与了这项研究。