Bilim insanları, simetriye sahip olduklarını varsaymak suretiyle, matematiksel olarak stresle başa çıkmaktadırlar. Stresli nesneyi dönüş veya çevirme gibi bir şeyle dönüştürürseniz bu, stres bileşenlerinin aynı olduğu anlamına gelir. Süper bilgisayar simülasyonları atomik seviyede, malzeme stresinin simetrik olarak davrandığını göstermektedir. Bulgular, bilim insanlarının buzlanmayan cam veya metal gibi yeni malzemeler tasarlamasına yardımcı olabilir.
Eylül 2018’de Royal Society’de yayınlanan bir araştırmaya göre çalışmanın ortak yazarı Liming Xiong, iki ana bulguyu özetledi. Xiong; “Klasik süreklilik mekaniğinde bir gerilme tensörünün yaygın olarak kabul edilen simetrik özelliği, belirli varsayımlara dayanmaktadır. Atomistik çözünürlükte bir materyal çözüldüğünde geçerli olmayacaktır. Yaygın olarak kullanılan atomik Virial stres veya Hardy stres formülleri, deformasyon altındaki bir materyaldeki bir dislokasyon çekirdeği, bir çatlak ucu veya bir arayüz gibi bir stres konsantratörü yakınındaki stresi önemli ölçüde hafife alır.”
Xiong ve meslektaşları stresi klasik devamlılık mekaniğinden farklı bir şekilde ele alırlar; bu, bir malzemenin sonsuz derecede bölünebileceğini varsayar, böylece madde momenti sıfıra yaklaşırken momentum momenti sıfırlanır. Bunun yerine, tanımları matematikçi A.L. Cauchy tarafından üç dikdörtgen düzlemde hareket eden birim alan başına kuvvet olarak kullandılar. Bununla birlikte, dislokasyonların, faz sınırlarının ve deliklerin neden olduğu homojen olmayan maddelerle malzemelerin atomik gerilme tensörünü ölçmek için moleküler dinamik simülasyonları gerçekleştirdiler.
Xiong, “Hesaplama zorlukları, atomik kuvvetlerle bir yağmur damlası alanının küçük bir kısmının içinde etkileştiği zaman, şu anda hesaplanabilir olanın sınırlarına kadar yükselir. Hesaplanması gereken özgürlük derecesi büyük olacaktır, çünkü mikron büyüklüğünde bir örnek bile milyarlarca atom içerecektir. Milyarlarca atomik çift büyük bir hesaplama kaynağı gerektirecektir. Dahası atomik ölçekte yerel stres hesaplaması için kullanılabilecek iyi kurulmuş bir bilgisayar kodunun olmamasıdır.”
Ekibi, açık kaynak LAMMPS Moleküler Dinamik Simülatörünü kullanmış, Lennard-Jones interatomik potansiyelini birleştirmiş ve çalışmadaki parametrelerle değiştirilmiştir. Xiong; “Temel olarak iki zorlukla karşılaşmaya çalışıyoruz. Biri stresi atomik düzeyde yeniden tanımlamaktır. Diğeri ise, iyi tanımlanmış bir stres miktarımız varsa, onu hesaplamak için süper bilgisayar kaynaklarını kullanabilir miyiz?”
Xiong, National Science Foundation tarafından finanse edilen XSEDE, Extreme Science ve Engineering Discovery Environment üzerine süper bilgisayar ödülü aldı. Bu, Xiong’un, San Diego Süper Bilgisayar Merkezindeki ve Indiana Üniversitesi, Arizona Üniversitesi ve Texas İleri Bilgi İşlem Merkezi tarafından desteklenen bir bulut ortamı olan Jetstream’deki Comet sistemine erişmesini sağladı.
Xiong, “Jetstream bir bilgisayar kodu geliştirmek, hata ayıklamak ve test etmek için çok uygun bir platformdur. Jetstream, büyük ölçekli olanlar için değil, küçük ölçekli hesaplamalar için tasarlanmıştır. Kod geliştirildiğinde ve değerlendirildiğinde, yüzlerce hatta binlerce işlemciyi kullanarak büyük ölçekli simülasyonları gerçekleştirmek için petascale Comet sistemine yönlendirdik. XSEDE kaynaklarını bu araştırmayı gerçekleştirmek için kullandı.”
Jetstream sistemi, mevcut NSF kaynaklarının sağlayabileceğinden çok daha fazla sayıda yazılım ortamını ve hizmetini desteklemek için hem isteğe bağlı hem de kalıcı sanal makine teknolojisinden yararlanan, yapılandırılabilir büyük ölçekli bir bilgi işlem kaynağıdır.
Xiong, “Bu kodun hata ayıklaması, bulut izleme ve isteğe bağlı istihbarat kaynak tahsisine ihtiyaç duyuyordu. İlk olarak test etmemiz gerekiyordu. Çünkü bu kod mevcut değildi. Jetstream’in benzersiz bir bulut izleme ve isteğe bağlı istihbarat kaynağı tahsisi özelliği var. Bunlar, Jetstream’i kod geliştirmek için seçmemizde önemli etkenlerdir. Araştırma grubumuzu Jetstream hakkında en çok etkileyen şey bulut izleme idi. Kodun hata ayıklama aşamasında, kodun hesaplama sırasında nasıl performans gösterdiğini izlememiz gerekiyor. Kod tam olarak geliştirilmemişse ve henüz karşılaştırılmamış ise hangi bölümün sorun olduğunu bilmiyoruz. Bulut izleme, kodun çalışırken nasıl performans gösterdiğini bize söyleyebilir. Bu çok özel bir şey.”
Simülasyon çalışması, bilim insanlarının çoklu ölçekli modelleme olarak adlandırılan bir metodolojide gerçekliğin mikro ve makro ölçekleri arasındaki boşluğu kapatmasına yardımcı oldu. Xiong; “Çok ölçekli, atomistik sürekliliği bir araya getirmeye çalışıyor. Çok ölçekli bir modelleme yapacak bir metodoloji geliştirmek için, her düzeyde her bir nicelik için tutarlı tanımlara sahip olmalıyız… Bu, kendiliğinden tutarlı eş zamanlı atomistik-sürekli bir hesaplama aracının kurulması için çok önemlidir. Bu araçla, malzeme performansını, nitelikleri ve aşağıdan yukarıya doğru olan davranışları tahmin edebiliriz. Malzemeyi bir atom topluluğu olarak düşünerek davranışlarını tahmin edebiliriz. Stres sadece bir basamaktır. Bununla birlikte, devamlılığı sağlamak için gereken miktarlara sahibiz.”
Xiong ve araştırma grubu, yeni materyalleri yeni özelliklerle tasarlamak için stres anlayışlarını uygulamada çeşitli projeler üzerinde çalışıyor.
Xiong; “Bunlardan biri, malzemelerin yüzeylerinden ayrışıyor. Gözlemleyebileceğiniz yaygın bir olay, soğuk havalarda bir araba camında oluşan buzdur. Eğer onu kaldırmak istiyorsanız, buz üzerinde bir kuvvet uygulamanız gerekir. Bu buzu gidermek için gerekli olan kuvvet ve enerji, gerilim tensörü tanımı ve buz ve araç penceresi arasındaki arayüzlerle ilgilidir. Temel olarak, stres tanımı, eğer yerel ölçekte açıksa, günlük yaşamımızda kullanmak için ana rehberliği sağlayacaktır. Süper hesaplama, hesaplamanın çok güçlü bir yoludur. Günümüzde insanlar yeni materyallerin gelişimini hızlandırmak istiyorlar. Kitlesel üretime koymadan önce, malzeme davranışını anlamak istiyoruz. Bu, tahmin edici bir simülasyon aracı gerektirecektir. Tahmin edici simülasyon aracı, malzemeleri atomların bir parçası olarak görüyor. Atomlarla ilişkili serbestlik derecesi çok büyük olacaktır. Mikron büyüklüğünde bir örnek bile milyarlarca atom içerecek. Buna sadece bir süper bilgisayar yardımcı olabilir. Bu süper bilgi işlem için çok eşsizdir.”