Суперкомпьютеры позволили ученым изучать разрушения материалов на уровне атомов
По некоторым оценкам подобные разрушения во всех средах, от метала до бетона, стоили американской экономике в 1999 году $388 млрд. - около 4% валового национального продукта. Деформации становятся причиной крушения мостов и падения самолетов, а ученые уже десятки лет пытаются понять причину этого явления и предотвратить его.
До настоящего времени у специалистов не было возможности изучить два основных вида разрушений - изгиб и разрыв - на атомарном уровне.
Полученные в новом эксперименте результаты еще раз подчеркивают важную роль суперкомпьютеров в проведении современных научных исследований.
Ученые обнаружили, что трещины в материале могут распространяться быстрее скорости звука. Они проанализировали процессы, происходящие при изгибе обычной скрепки в одну и другую сторону. Тысячи мельчайших деформаций распространяются во все стороны от места излома подобно змеям. Когда они пересекаются в одном месте, то образуют "затор", который в действительности делает метал более жестким и прочным - это явление известно любому кузнецу, кующему железо с помощью кувалды. Однако если деформация распространяется достаточно далеко, материал становиться хрупким и ломается.
Группа ученых из Ливерморской лаборатории, компании IBM и института Макса Планка в Германии не были очевидцами описанных процессов - пока технологии этого не позволяют. Однако они пошли по другому пути - смоделировали на компьютере материал из блоков толщиной до 1000 атомов и наблюдали за реакцией при изгибах и разрушениях.
"Взяв миллиарды атомов, мы приблизились к размерам, которые на практике интересуют инженеров" - рассказал Фарид Абрахам (Farid Abraham), специалист по вычислительной физике из исследовательского центра IBM в Сан-Хосе. Он отметил, что материалы становятся все более сложными и важно научиться предсказывать их поведение. "Я уверен, что для точного прогноза, необходимо изучить поведение материала на уровне атомов".
В настоящее время суперкомпьютеры широко используются учеными для моделирования различных процессов от взрывов звезд до отражения звука внутри человеческой головы. В материаловедении подобные исследования позволили создать, например, более прочные и легкие соединения для самолетов и более эффективные полупроводники для микросхем.
С Абрахомом в течение пяти лет сотрудничал Хьюджиан Гао (Huajian Gao), который сейчас работает в институте исследования металлов им. Макса Планка в Германии. Для исследования базовых свойств материалов, таких как углеродные нанотрубки, его группа собирается использовать новый суперкомпьютер, установленный в Мюнхене, который по скорости сравним с Ливерморским. Гао считает, что суперкомпьютеры сыграют решающую роль в нанотехнологиях - создании крошечных устройств на уровне атомов и молекул, которые, как ожидается, позволят сделать крупный прорыв в электронике, медицине и других областях.
Абрахам начал свою карьеру в Ливерморе, затем в 1966 году перешел в IBM и в числе первых использовал компьютеры для моделирования физических явлений.
Подобные исследования начались еще в 50-х годах, когда специалисты использовали перфокарты. Программирование заключалось в переключении кабелей на приборной панели, как в старых телефонных станциях. К 1965 году специалисты смогли смоделировать взаимодействие 100 атомов, к 1984 это число выросло до 100.000.
Затем начали развиваться параллельные вычислительные системы, в которых над одной задачей одновременно работали тысячи компьютеров. Количество атомов в модели выросло до миллиона, затем до 100 млн., а в последнем эксперименте уже равнялось 1 млрд.
Исследования проводились на компьютере IBM ASCI White. В расчете модели было задействовано около половины из 8192 процессоров в течение пяти полных дней - всего более миллиона процессорных часов. Каждое модулируемое разрушение разделялось на 400.000 шагов, которые в реальном материале протекают за пять миллиардных секунды.
Однако результаты, полученные Абрахамом и его колегами, были скептически восприняты некоторыми специалистами по землетрясениям.
С помощью моделирования материалов Абрахам обнаружил, что трещины распространяются быстрее, чем скорость звука - факт, который нельзя было обнаружить в лаборатории или на практике. Однако ситуация усложняется, поскольку звук по-разному распространяется в твердом теле.
В воздухе звук движется в виде однообразной волны, скорость которой слабо зависит от температуры и высоты - на уровне моря при комнатной температуре она составляет около 300 м/с. Когда самолет проходит этот барьер происходит звуковой хлопок.
В твердой среде может существовать два типа волн. Продольная волна (p-волна) подобна звуковой волне в воздухе, она порождает волны сжатия и расширения, которые колеблются в направлении движения. Поперечная волна (s-волна) имеет более низкую скорость и колеблется перпендикулярно направлению движения.
При разрушениях во время землетрясения возникает оба типа волн: p-волна ощущается как первый резкий толчок, затем приходит s-волна, порождающая разрушительную тряску.
В ходе лабораторных экспериментов, проведенных два года назад в Калифорнийском технологическом институте, ученые предположили, что разрушения могут иногда распространятся быстрее, чем s-волны и даже быстрее, чем p-волны. Наблюдая за показаниями сейсмографа во время землетрясения в Турции в 1999 году, специалисты заключили, что ряд трещин может распространяться со скоростью, лежащей в диапазоне между двумя типами волн.
Однако в реальной жизни пока никто не наблюдал ситуацию, предсказанную Абрахамом в процессе моделирования, - распространение разрушений со скоростью, превышающий скорость p-волны.
"Фарид привел веские доводы о возможности такого процесса, но мы не смогли проверить его утверждения в лабораторных условиях" - сообщил Арес Розакис (Ares Rosakis), эксперт по механике разрушений, добавив, что сейчас он пытается придумать, каким образом можно подтвердить или опровергнуть полученные Абрахамом результаты.
"На первом этапе исследований эксперимент показал путь для развития теории. На втором этапе - теория подскажет путь для эксперимента. Так развивается наука" - отметил в заключении Розакис.
По материалам сайта SiliconValley.
Поделиться