Věda o výpočetních materiálech - Computational materials science - Wikipedia
 | Tento článek obsahuje seznam obecných Reference, ale zůstává z velké části neověřený, protože postrádá dostatečné odpovídající vložené citace. (Listopadu 2019) (Zjistěte, jak a kdy odstranit tuto zprávu šablony) |
Věda o výpočetních materiálech a inženýrství využívá k pochopení materiálů modelování, simulaci, teorii a informatiku. Mezi hlavní cíle patří objevování nových materiálů, určování chování a mechanismů materiálů, vysvětlování experimentů a zkoumání teorií materiálů. Je to analogické k výpočetní chemie a výpočetní biologie jako stále důležitější podpole věda o materiálech.
Úvod
Stejně jako věda o materiálech pokrývá všechny délkové stupnice, od elektronů po komponenty, tak i jeho výpočetní subdisciplíny. Zatímco mnoho metod a variací bylo a nadále je vyvíjeno, objevilo se sedm hlavních simulačních technik nebo motivů.[1]
Tyto počítačová simulace metody využívají základní modely a aproximace k pochopení chování materiálu ve složitějších scénářích, než jak čistá teorie obecně umožňuje, a s většími podrobnostmi a přesností, než je často možné z experimentů. Každá metoda může být použita samostatně k předpovědi vlastností a mechanismů materiálů, k přenosu informací do jiných simulačních metod běžících samostatně nebo souběžně nebo k přímému porovnání nebo kontrastu s experimentálními výsledky.[2]
Jedním z pozoruhodných podoborů vědy o výpočetních materiálech je integrované výpočetní materiálové inženýrství (ICME), která se snaží využívat výpočtové výsledky a metody ve spojení s experimenty se zaměřením na průmyslové a komerční aplikace.[3] Mezi hlavní aktuální témata v této oblasti patří kvantifikace nejistoty a šíření simulacemi pro případné rozhodování, datová infrastruktura pro sdílení simulačních vstupů a výsledků,[4] návrh a objev materiálů s vysokou propustností,[5] a nové přístupy vzhledem k významnému zvýšení výpočetního výkonu a pokračování historie superpočítače.
Metody simulace materiálů
Elektronická struktura
Metody elektronické struktury řeší Schrödingerova rovnice vypočítat energii soustavy elektronů a atomů, základních jednotek kondenzované hmoty. Mnoho variací elektronická struktura existují metody různé výpočetní složitosti s řadou kompromisů mezi rychlostí a přesností.
Teorie funkční hustoty
Díky své rovnováze mezi výpočetními náklady a prediktivní schopností hustota funkční teorie (DFT) má nejvýznamnější použití v věda o materiálech. DFT nejčastěji odkazuje na výpočet nejnižšího energetického stavu systému; molekulární dynamika (atomový pohyb v čase) však může běžet s výpočetními silami DFT mezi atomy.
Zatímco DFT a mnoho dalších metod elektronických struktur jsou popsány jako ab initio, stále existují aproximace a vstupy. V rámci DFT existuje stále složitější, přesnější a pomalejší aproximace, která je základem simulace, protože není známa přesná funkce výměny a korelace. Nejjednodušší model je Aproximace místní hustoty (LDA), stává se složitější s aproximací generalizovaného gradientu (GGA) a dále. Další běžnou aproximací je použití a pseudopotenciální místo jádrových elektronů, což výrazně urychluje simulace.
Atomistické metody
Tato část pojednává o dvou hlavních metodách atomové simulace v věda o materiálech. Mezi další metody založené na částicích patří metoda bodového materiálu a částice v buňce, nejčastěji používané pro mechaniku těles a fyziku plazmatu.
Molekulární dynamika
Termín Molekulární dynamika (MD) je historický název používaný ke klasifikaci simulací klasického atomového pohybu v čase. Interakce mezi atomy jsou obvykle definovány a odpovídají experimentálním i elektronickým strukturním datům s širokou škálou modelů, tzv interatomové potenciály. S předepsanými interakcemi (silami) je newtonovský pohyb numericky integrován. Síly pro MD lze také vypočítat pomocí metod elektronické struktury založených na buď Born-Oppenheimerova aproximace nebo Car-Parrinello přístupy.
Mezi nejjednodušší modely patří pouze van der Waals typu přitažlivosti a strmého odpuzování, aby byly atomy odděleny, je odvozena povaha těchto modelů disperzní síly. Stále složitější modely zahrnují efekty kvůli coulombovy interakce (např. iontové náboje v keramice), kovalentní vazby a úhly (např. polymery) a hustota elektronického náboje (např. kovy). Některé modely používají pevné vazby definované na začátku simulace, zatímco jiné mají dynamické vazby. Novější snahy usilují o robustní, přenositelné modely s obecnými funkčními formami: sférické harmonické, Gaussova jádra a neurální sítě. Kromě toho lze MD použít k simulaci seskupení atomů v obecných částicích, tzv hrubozrnné modelování, např. vytvoření jedné částice na monomer v polymeru.
kinetický Monte Carlo
Monte Carlo v kontextu vědy o materiálech nejčastěji odkazuje na atomistické simulace založené na sazbách. V kinetickém Monte Carlu (kMC) jsou definovány a pravděpodobnostně hodnoceny sazby pro všechny možné změny v systému. Protože neexistuje žádné omezení přímé integrace pohybu (jako v molekulární dynamika ), metody kMC jsou schopny simulovat výrazně odlišné problémy s mnohem delšími časovými harmonogramy.
Metody mesoscale
Zde uvedené metody patří mezi nejběžnější a nejvíce přímo svázané s vědou o materiálech, kde se také široce používají výpočty atomistické a elektronické struktury v výpočetní chemie a výpočetní biologie a simulace úrovně kontinua jsou běžné v široké škále výpočetní věda aplikační domény.
Další metody uvnitř věda o materiálech zahrnout mobilní automaty pro tuhnutí a růst zrn, Pottsův model přístupy k vývoji zrna a další Monte Carlo techniky, stejně jako přímá simulace struktur zrn analogická s dislokační dynamikou.
Dynamika dislokace
Dislokace jsou krystalické vady v materiálech s řádkovým charakterem Spíše než simulace úplných atomových detailů, diskrétní dislokační dynamika (DDD) přímo simuluje řádkové objekty. Prostřednictvím teorií a rovnic plasticity DDD posouvá dislokace v čase a definuje pravidla popisující, jak dislokace interagují, když procházejí.
Existují i jiné metody simulace dislokačního pohybu, od úplného molekulární dynamika simulace, dynamika dislokace kontinua a modely fázových polí.
Fázové pole
Metody fázového pole jsou zaměřeny na jevy závislé na rozhraních a mezifázovém pohybu. Funkce volné energie i kinetika (mobilita) jsou definovány za účelem šíření rozhraní v systému v čase.
Křišťálová plasticita
Krystalová plasticita simuluje účinky atomového dislokačního pohybu bez přímého vyřešení. Místo toho jsou orientace krystalů aktualizovány v čase pomocí teorie pružnosti, plasticity skrz výnosové plochy a zpřísnění zákonů. Tímto způsobem lze určit chování materiálu při napětí-přetvoření.
Simulace kontinua
Metoda konečných prvků
Metody konečných prvků rozdělují systémy v prostoru a řeší příslušné fyzikální rovnice během celého tohoto rozkladu. To sahá od tepelných, mechanických, elektromagnetických po další fyzikální jevy. Je důležité si všimnout z a věda o materiálech perspektiva, že metody kontinua obecně ignorují heterogenitu materiálu a předpokládají, že vlastnosti místních materiálů budou v celém systému identické.
Metody modelování materiálů
Všechny výše popsané simulační metody obsahují modely chování materiálů. Příkladem je funkční směnárno-korelační funkční teorie hustoty, interatomický potenciál molekulární dynamiky a volná energie funkční pro simulace fázového pole. Míra citlivosti každé simulační metody na změny v základním modelu se může drasticky lišit. Samotné modely jsou často přímo užitečné pro materiálové vědy a inženýrství, nejen pro spuštění dané simulace.
CALPHAD
Fázové diagramy jsou nedílnou součástí vědy o materiálech a vývojové výpočetní fázové diagramy jsou jedním z nejdůležitějších a nejúspěšnějších příkladů ICME. Metoda Výpočet fázového diagramu (CALPHAD) obecně nepředstavuje simulaci, ale modely a optimalizace místo toho vedou k fázovým diagramům k předpovědi fázové stability, což je mimořádně užitečné při konstrukci materiálů a optimalizaci materiálových procesů.
Porovnání metod
Pro každou metodu simulace materiálu existuje základní jednotka, charakteristická délka a časová stupnice a přidružené modely.[1]
| Metoda | Základní jednotka (jednotky) | Délka stupnice | Časová stupnice | Hlavní modely |
|---|---|---|---|---|
| Kvantová chemie | Elektron, atom | odpoledne | ps | Metody vlnových funkcí mnoha těl, Sada základů |
| Teorie funkční hustoty | Elektron, atom | odpoledne | ps | Exchange-korelace funkční, Sada základů |
| Molekulární dynamika | Atom, molekula | nm | ps - ns | Meziatomový potenciál |
| Kinetické Monte Carlo | Atom, molekula, shluk | nm - μm | ps - μs | Meziatomový potenciál, Hodnotit koeficienty |
| Dislokace dynamika | Dislokace | μm | ns - μs | Peach-Koehlerova síla, Interakce skluzu systému |
| Fázové pole | Obilí, rozhraní | μm - mm | ns - μs | Volná energie funkční |
| Křišťálová plasticita | Orientace krystalů | μm - mm | μs - ms | Funkce kalení a povrch výnosu |
| Konečný element | Prvek hlasitosti | mm - m | ms - s | rovnice paprsku, rovnice tepla, atd. |
Víceúrovňová simulace
Mnoho z popsaných metod lze kombinovat společně, a to buď současně nebo samostatně, s poskytováním informací mezi délkovými stupnicemi nebo úrovněmi přesnosti.
Souběžné víceúrovňové
Souběžné simulace v tomto kontextu znamenají metody používané přímo společně, v rámci stejného kódu, se stejným časovým krokem a s přímým mapováním mezi příslušnými základními jednotkami.
Jedním typem souběžné víceúrovňové simulace je kvantová mechanika / molekulární mechanika (QM / MM ). To zahrnuje přesnější provoz malé části (často požadované molekuly nebo proteinu) elektronická struktura výpočet a obklopení větší oblastí rychlého běhu, méně přesnou klasikou molekulární dynamika. Existuje mnoho dalších metod, jako jsou například simulace atomistického kontinua QM / MM kromě použití molekulární dynamika a Metoda konečných prvků jako jemná (vysoká věrnost) a hrubá (nízká věrnost).[2]
Hierarchické víceúrovňové
Hierarchická simulace označuje ty, které si přímo vyměňují informace mezi metodami, ale běží v samostatných kódech, přičemž rozdíly v délkových a / nebo časových měřítcích jsou řešeny statistickými nebo interpolativními technikami.
Běžná metoda výpočtu efektů orientace krystalů spolu s geometrií vnáší plastičnost krystalů do simulací konečných prvků.[2]
Vývoj modelu
Budování modelu materiálů v jednom měřítku často vyžaduje informace z jiného, nižšího měřítka. Zde jsou uvedeny některé příklady.
Nejběžnější scénář pro klasiku molekulární dynamika simulací je přímý vývoj interatomického modelu hustota funkční teorie, nejčastěji elektronická struktura výpočty. Klasický MD lze tedy považovat za hierarchickou víceúrovňovou techniku i za hrubě zrnitou metodu (ignorování elektronů). Podobně, hrubozrnná molekulární dynamika jsou redukované nebo zjednodušené simulace částic přímo vycvičené ze simulací MD všech atomů. Tyto částice mohou představovat cokoli od pseudoatomů uhlík-vodík, celých polymerních monomerů až po částice prášku.
Teorie funkční hustoty se také často používá k trénování a rozvoji CALPHAD -fázové fázové diagramy.
Software a nástroje
Každá metoda modelování a simulace má kombinaci komerčních, open-source a laboratorních kódů. Software s otevřeným zdrojovým kódem je stále běžnější, stejně jako komunitní kódy, které kombinují vývojové úsilí. Mezi příklady patří Kvantové ESPRESSO (DFT), SVÍTILNY (MD), ParaDIS (DD), FiPy (fázové pole) a LOS (Kontinuum). Kromě toho je otevřený software z jiných komunit často užitečný pro vědu o materiálech, např. GROMACS vyvinutý uvnitř výpočetní biologie.
Konference
Všechny hlavní věda o materiálech konference zahrnují výpočetní výzkum. Světový kongres TMS ICME, zaměřený výhradně na výpočetní úsilí, se schází každé dva roky. Gordonova výzkumná konference o výpočetních materiálech a inženýrství začala v roce 2020. Pravidelně se také organizuje řada dalších menších konferencí zaměřených na konkrétní metody.
Časopisy
Mnoho vědecké časopisy o materiálech, stejně jako ti z příbuzných oborů vítají výzkum výpočetních materiálů. Mezi ty, které se věnují oboru, patří Výpočetní věda o materiálech, Modelování a simulace v materiálových vědách a inženýrství a výpočetní materiály npj.
Související pole
Věda o výpočetních materiálech je jednou subdisciplínou obou výpočetní věda a výpočetní inženýrství, obsahující významné překrytí s výpočetní chemie a výpočetní fyzika. Kromě toho je mezi nimi běžné mnoho atomistických metod výpočetní chemie, výpočetní biologie a CMSE; podobně se mnoho metod kontinua překrývá s mnoha dalšími poli výpočetní inženýrství.
Viz také
Reference
- ^ A b LeSar, Richard (06.05.2013). Úvod do výpočetní vědy o materiálech: Základy aplikací (1. vyd.). Cambridge; New York: Cambridge University Press. ISBN 978-0-521-84587-8.
- ^ A b C Modelování napříč měřítky: Studie mapování modelů a simulací spojovacích materiálů napříč délkovými a časovými měřítky (Zpráva). Společnost minerálů, kovů a materiálů (TMS). 2015. Citováno 20. srpna 2019.
- ^ Allison, John; Backman, Dan; Christodoulou, Leo (01.11.2006). „Integrované výpočetní materiálové inženýrství: nové paradigma pro globální profesi materiálů“. JOM. 58 (11): 25–27. doi:10.1007 / s11837-006-0223-5. ISSN 1543-1851.
- ^ Warren, James A .; Ward, Charles H. (06.06.2018). "Vývoj infrastruktury materiálových dat". JOM. 70 (9): 1652–1658. doi:10.1007 / s11837-018-2968-z. ISSN 1543-1851.
- ^ Curtarolo, Stefano; Hart, Gus L.W .; Nardelli, Marco Buongiorno; Mingo, Natalio; Sanvito, Stefano; Levy, Ohad (2013). „High-throughput highway to computational material design“. Přírodní materiály. 12 (3): 191–201. doi:10.1038 / nmat3568. ISSN 1476-1122. PMID 23422720.