Il est facile de prendre beaucoup pour acquis. Les scientifiques le font lorsqu'ils étudient le stress, la force par unité de surface sur un objet. Les scientifiques traitent le stress mathématiquement en supposant qu'il a une symétrie. Cela signifie que les composants du stress sont identiques si vous transformez l'objet stressé avec quelque chose comme un virage ou un retournement. Des simulations de supercalculateurs montrent qu'au niveau atomique, la contrainte matérielle ne se comporte pas de manière symétrique. Les résultats pourraient aider les scientifiques à concevoir de nouveaux matériaux tels que le verre ou le métal qui ne gèlent pas.

C'est selon une étude publiée en septembre 2018 dans le Actes de la Royal Society A . Le co-auteur de l'étude, Liming Xiong, a résumé les deux principaux résultats. "La propriété symétrique communément acceptée d'un tenseur de contraintes en mécanique des milieux continus classique est basée sur certaines hypothèses, et ils ne seront pas valides lorsqu'un matériau est résolu à une résolution atomistique. une pointe de fissure, ou une interface, dans un matériau sous déformation. » Liming Xiong est professeur adjoint au département d'ingénierie aérospatiale de l'Iowa State University.

Xiong et ses collègues ont traité le stress d'une manière différente de la mécanique continue classique, ce qui suppose qu'un matériau est divisible à l'infini de telle sorte que le moment de la quantité de mouvement s'annule pour le point matériel lorsque son volume se rapproche de zéro. Au lieu, ils ont utilisé la définition du mathématicien A.L. Cauchy de la contrainte comme la force par unité de surface agissant sur trois plans rectangulaires. Avec ça, ils ont mené des simulations de dynamique moléculaire pour mesurer le tenseur de contraintes à l'échelle atomique de matériaux présentant des inhomogénéités causées par des dislocations, limites de phase et trous.

Les défis informatiques, dit Xiong, gonfler jusqu'aux limites de ce qui est actuellement calculable lorsqu'il s'agit de forces atomiques interagissant à l'intérieur d'une infime fraction de l'espace d'une goutte de pluie. "Le degré de liberté à calculer sera énorme, car même un échantillon de la taille d'un micron contiendra des milliards d'atomes. Des milliards de paires atomiques nécessiteront une énorme quantité de ressources de calcul, " a déclaré Xiong.

Quoi de plus, a ajouté Xiong, est l'absence d'un code informatique bien établi pouvant être utilisé pour le calcul des contraintes locales à l'échelle atomique. Son équipe a utilisé le simulateur de dynamique moléculaire LAMMPS open source, incorporant le potentiel interatomique de Lennard-Jones et modifié par les paramètres qu'ils ont élaborés dans l'article. "Essentiellement, nous essayons de relever deux défis, " dit Xiong. " L'une consiste à redéfinir le stress à un niveau atomique. L'autre est, si nous avons une quantité de contrainte bien définie, pouvons-nous utiliser des ressources de superordinateur pour le calculer ?"

Xiong a reçu des allocations de supercalculateurs sur XSEDE, l'environnement de découverte des sciences et de l'ingénierie extrêmes, financé par la National Science Foundation. Cela a permis à Xiong d'accéder au système Comet du Supercomputer Center de San Diego; et Jetstream, un environnement cloud soutenu par l'Université d'Indiana, l'Université de l'Arizona, et le Texas Advanced Computing Center.

"Jetstream est une plateforme très adaptée pour développer un code informatique, le déboguer, et testez-le, " dit Xiong. " Jetstream est conçu pour les calculs à petite échelle, pas pour les gros. Une fois le code développé et étalonné, nous l'avons porté sur le système Petascale Comet pour effectuer des simulations à grande échelle en utilisant des centaines à des milliers de processeurs. C'est ainsi que nous avons utilisé les ressources XSEDE pour effectuer cette recherche, " expliqua Xiong.

Le système Jetstream est une ressource informatique configurable à grande échelle qui exploite à la fois la technologie de machine virtuelle à la demande et persistante pour prendre en charge une gamme beaucoup plus large d'environnements logiciels et de services que les ressources NSF actuelles ne peuvent en accueillir.

« Le débogage de ce code nécessitait une surveillance du cloud et une allocation de ressources d'intelligence à la demande, " Xiong a rappelé. " Nous devions d'abord le tester, car ce code n'était pas disponible. Jetstream dispose d'une fonctionnalité unique de surveillance du cloud et d'allocation de ressources d'intelligence à la demande. Ce sont les fonctionnalités les plus importantes pour nous de choisir Jetstream pour développer le code."

"Ce qui a le plus impressionné notre groupe de recherche à propos de Jetstream, " Xiong continua, "était la surveillance du cloud. Pendant la phase de débogage du code, nous devons vraiment surveiller les performances du code pendant le calcul. Si le code n'est pas entièrement développé, s'il n'est pas encore étalonné, nous ne savons pas quelle partie a un problème. La surveillance du cloud peut nous dire comment le code fonctionne pendant son exécution. C'est très particulier, " a déclaré Xiong.

Le travail de simulation, dit Xiong, aide les scientifiques à combler le fossé entre les échelles micro et macro de la réalité, dans une méthodologie appelée modélisation multi-échelle. "Multiscale tente de combler le continuum atomistique. Afin de développer une méthodologie de modélisation multi-échelle, we need to have consistent definitions for each quantity at each level... This is very important for the establishment of a self-consistent concurrent atomistic-continuum computational tool. With that tool, 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. Avec ça, 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. Essentiellement, 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.