Un'illustrazione che mostra come le molecole d'acqua sono disposte nel liquido attorno a una molecola di riferimento centrale. Le aree bianche mostrano l'organizzazione altamente direzionale della densità dell'acqua nel primo e secondo "gusci" strutturali derivanti dai legami idrogeno - mentre l'area arancione mostra la regione di esaurimento - dove non possono risiedere molecole d'acqua. Le immagini sono ottenute utilizzando il modello dell'oscillatore quantistico Drude. Credito:IBM Blog Research
Materiali in applicazioni industriali e ingegneristiche, come ferro e acciaio, sono spesso utilizzati a pressioni e temperature estreme o in ambienti complessi dove le loro proprietà possono essere molto diverse da quelle riscontrate in circostanze normali.
Forse l'esempio più famoso di questo in pratica sono le piastrelle esterne dello Space Shuttle Columbia della NASA, che è stato ricoperto da una combinazione di composti di silice e ossido di alluminio per proteggerlo da temperature fino a 1, 200 gradi F. Guardando indietro ora, è stata un'incredibile impresa ingegneristica raggiungere questo obiettivo considerando che non avevano la potenza di calcolo che abbiamo oggi.
La capacità di prevedere le proprietà dei materiali, come con le piastrelle, lontano dalle condizioni incontrate nell'esperienza comune, e dove le misurazioni sperimentali sono limitate, è quindi un grande vantaggio nella progettazione e nella scoperta dei materiali. Questa situazione presenta sfide uniche per la simulazione dei materiali in quanto richiede che i modelli e le loro ipotesi sottostanti vengano applicati in situazioni molto diverse da quelle in cui sono stati sviluppati.
Un team che coinvolge IBM Research e l'Hartree Centre del UK Science and Technology Facilities Council (STFC) ha sviluppato una nuova classe di metodi di simulazione dei materiali progettati per migliorare il potere predittivo ed estendere la gamma di condizioni su cui possono essere applicati modelli di simulazione dei materiali su scala molecolare con fiducia. Ciò si ottiene incorporando risposte elettroniche nella descrizione molecolare. Questa innovazione consente alle molecole simulate di adattarsi al loro ambiente nel modo in cui fanno le molecole "reali" ed è abbastanza efficiente da essere applicata a relativamente grandi, sistemi complessi.
In un articolo apparso oggi su Rapporti scientifici sulla natura , affrontiamo la celebre sfida dell'acqua liquida come sistema modello che mostra cambiamenti insoliti e drammatici delle proprietà fisiche a seconda della temperatura, con comportamenti particolarmente misteriosi (come una temperatura di massima densità e un'espansione termica negativa) che appare vicino e sotto lo zero.
Il nostro team utilizza la simulazione dei materiali per esplorare la struttura e le proprietà dell'acqua agli estremi del suo intervallo di stabilità come liquido:al suo limite di alta temperatura quando il liquido si condensa per la prima volta in piccole catene e goccioline su scala molecolare fino alle temperature più basse raggiungibili per il liquido "sovraraffreddato" altamente strutturato - che sopravvive molto al di sotto del normale punto di congelamento; e nel non familiare regime "stirato" - dove i legami liquidi supportano sollecitazioni ad alta trazione prima di "rompersi" per formare cavità di vapore. Il lavoro rivela anche relazioni precedentemente non riconosciute tra la struttura liquida e quelle dei "ghiacci vitrei".
L'accordo con le prove sperimentali disponibili in una gamma così ampia di condizioni è una potente prova che le risposte elettroniche incorporate nel modello catturano la fisica essenziale richiesta per descrivere alcune delle misteriose proprietà dell'acqua ed esporre per la prima volta le loro origini molecolari.
Mentre nel nostro articolo ci siamo concentrati sull'acqua o sui liquidi, è pratico anche per i solidi, e stiamo attualmente sviluppando per applicazioni più ampie in settori industriali come le scienze della vita attraverso l'Hartree Centre.
Ripensando agli ingegneri che hanno progettato lo Space Shuttle, probabilmente hanno avuto mesi se non anni di tentativi ed errori per sviluppare le piastrelle per essere resistenti al calore, ma leggero e non troppo fragile. Applicando la tecnologia discussa nel nostro documento, avrebbero potuto testare centinaia di progetti in pochi minuti. Non dimenticare, stiamo facendo test virtuali, che è anche molto meno costoso e più sicuro rispetto ai test fisici.
Sono fiducioso che questo lavoro di simulazione dei materiali contribuirà a una nuova era cognitiva di scoperte.
