看待压力的新方法——使用超级计算机

这很容易被认为是理所当然的。科学家在研究压力时会这样做，压力是物体单位面积上的力。科学家通过假设压力具有对称性来用数学方法处理压力。这意味着，如果受力对象通过转动或翻转进行变换，应力分量是相同的。超级计算机模拟表明，在原子水平上，材料的应力是不对称的。这些发现可以帮助科学家设计不会冻结的新材料，如玻璃或金属。

这是基于2018年9月发表在《英国皇家学会学报A》上的一项研究。这项研究的合著者李总结了两个主要发现。“经典连续介质力学中普遍接受的应力张量的对称性是建立在一定假设基础上的，当以原子分辨率解析材料时，它们将失效。”熊继续说，“广泛使用的原子维里应力或哈迪应力公式明显低估了应力集中区附近的应力，如位错核心、裂纹尖端或位错变形材料中的界面。”熊黎明是爱荷华州立大学航空航天工程系的助理教授。

熊和他的同事处理应力的方式与经典连续介质力学不同，经典连续介质力学假设材料是无限可分的，因此当材料的体积趋近于零时，材料点的动量矩就消失了。相反，他们使用数学家阿尔柯西的定义，即单位面积上作用在三个矩形平面上的力。因此，他们进行了分子动力学模拟，以测量位错、相界和孔隙引起的不均匀性材料的原子级应力张量。

熊说，当一个人处理雨滴小空间中原子力的相互作用时，计算挑战膨胀到目前可计算的极限。“要计算的自由度将是巨大的，因为即使是微米大小的样本也会包含数十亿个原子。数十亿个原子对将需要大量的计算资源，”熊说。

此外，熊补充说，目前缺乏一个完美的计算机代码，可用于原子尺度的局部应力计算。他的团队使用开源的LAMMPS分子动力学模拟器，结合Lennard-Jones原子间势，通过他们在论文中制定的参数进行修改。“基本上，我们正试图迎接两个挑战，”熊说。“一个是在原子水平上重新定义压力。另一个是，如果我们有一个明确定义的压力量，我们可以使用超级计算机资源来计算它吗？”

由贝尔国家科学基金会资助的极端科学和工程发现环境XSEDE获得了超级计算机分配。这使得熊可以访问圣地亚哥超级计算机中心的彗星系统；以及Jetstream、印第安纳大学、亚利桑那大学、德州高级计算中心支持的云环境。

“Jetstream是一个非常适合开发计算机代码、进行调试和测试的平台，”熊说。“Jetstream是为小规模计算设计的，不是为大规模计算设计的。一旦代码开发完成，经过基准测试，我们就移植到petascale彗星系统上，使用数百到数千个处理器进行大规模仿真。这是我们的方法。使用XSEDE资源进行这项研究，”熊解释说。

Jetstream系统是一种可配置的大规模计算资源，它使用按需和持久虚拟机技术来支持比当前NSF资源所能容纳的更广泛的软件环境和服务。

“这种代码的调试需要云监控和按需智能资源分配，”熊回忆说。“我们需要先测试一下，因为代码不可用。Jetstream具有独特的云监控和按需智能资源分配功能。这些是我们Jetstream开发代码最重要的特性。”

“我们的研究小组给捷流留下了最深刻的印象，”熊继续说。“是云监控。在代码的调试阶段，我们确实需要监控代码在计算过程中的性能。如果代码没有完全开发，如果没有基准，我们不知道哪个部分有问题。云监控可以告诉我们代码在运行时的表现。这是非常独特的，”贝尔说。

熊先生说，模拟工作可以帮助科学家通过一种称为多尺度建模的方法来弥合微观和宏观尺度之间的差距。“多尺度试图在原子连续体之间架起一座桥梁。为了发展多尺度建模的方法，我们需要在每个层次上对每个量有一个一致的定义...................使用这个工具，我们可以自下而上地预测材料的性能、质量和行为。通过将一种材料视为原子的集合，我们可以预测它的行为。压力只是一块垫脚石。然后，我们就有了连接连续统的数量，”贝尔说。

熊和他的研究团队正在进行几个项目，将他们对应力的理解应用于设计具有新颖特性的新材料。“其中之一是从材料表面除冰，”熊解释说。“你可以观察到的一个常见现象是，在寒冷的天气里，车窗上会结冰。如果你想移除它，你需要在冰上施加一个力。移除冰块所需的力和能量与压力有关。冰和车窗之间的张量定义和界面。基本上，压力的定义，如果在当地是清楚的，将提供在我们的日常生活中使用的主要指导。

我在熊科学的计算中看到了巨大的价值。“超级计算是一种非常强大的计算方法。如今，人们希望加快新材料的发展。我们希望在投入大规模生产之前制作并理解材料行为。这需要一个预测模拟工具。预测工具确实把物质视为原子的集合。与原子相关的自由度将是巨大的。即使是微米大小的样品也包含数十亿个原子。只有超级计算机能帮上忙。这对超级计算来说是非常独特的，”熊说。

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