La scienza delle reti è il modo in cui matematici e progettisti di software costruiscono reti sociali complicate come Facebook. Ma un gruppo di ricercatori della Florida State University ha scoperto che queste equazioni possono dire molto agli ingegneri sulla composizione di diversi materiali.

Utilizzando la scienza delle reti, parte di un campo matematico più ampio chiamato teoria dei grafi, il professore di ingegneria meccanica FAMU-FSU William Oates, l'ex studente laureato Peter Woerner e il professore associato Kunihiko "Sam" Taira hanno mappato le forze atomiche a lungo raggio su un grafico incredibilmente complesso per simulare il comportamento macroscopico del materiale.

Il gruppo ha quindi sviluppato e applicato un metodo che semplifica notevolmente il grafico in modo che altri ricercatori possano replicare il processo con altri materiali.

Il lavoro è pubblicato sulla rivista PLOS UNO .

Oates ha affermato che l'utilizzo della teoria dei grafi consente ai ricercatori di comprendere meglio come le molecole che compongono un materiale funzionano a livello macroscopico.

"Tutti gli atomi hanno elettroni e nuclei con cariche positive, creano forze tra gli ioni, " Ha detto Oates. "Cercare di descriverlo come una struttura globale è impegnativo. Esistono metodi per modellare le molecole, ma la sfida è come descrivere il comportamento macroscopico. Sapere come interagiscono le molecole è solo metà del problema. La scienza delle reti fornisce un ponte unico che ci consente di portare la dinamica delle molecole nel mondo macroscopico".

In definitiva, i ricercatori vogliono comprendere tutte le interazioni atomiche in un dato materiale in modo da poter capire come e perché i materiali si comportano in determinati modi, disse Oates. Ma quando tieni traccia di tutte le interazioni atomiche in un materiale, diventa un problema enorme da risolvere su un computer.

Il gruppo di Oates ha lavorato per renderlo un problema molto più piccolo.

Guardando un grafico che mostra gli atomi in un materiale, Oates ha detto di pensare agli atomi e alle forze tra loro come perline e molle. Le cariche atomiche collegano queste perline, e vibrano in modi complicati, alcuni più veloci e altri più lenti.

Per scopi ingegneristici, non era necessario tenere traccia di tutte le forze. Così, il gruppo ha applicato un metodo per capire come le forze nel grafico potessero essere riconnesse senza creare errori.

Usando quella conoscenza, il loro algoritmo ha eliminato alcune forze atomiche all'interno del grafico e lo ha ricablato in modo da conservare informazioni importanti rendendo più semplice il calcolo del comportamento macroscopico.

"Elimini le cose non importanti e mantieni le parti importanti per rendere le simulazioni sostanzialmente più veloci, " Ha detto Oates. "Questo era davvero l'obiettivo:semplificarlo per accelerare la ricerca sui materiali computazionali".

La ricerca di Oates è finanziata dal programma EAGER della National Science Foundation, un'infusione di un anno di finanziamenti che consente a un membro della facoltà di perseguire un'idea di ricerca ad alto rischio ma potenzialmente trasformativa.

Questo primo studio era più di una prova di concetto, Egli ha detto. Ora esaminerà se questo metodo della teoria dei grafi può dire ai ricercatori come rendere un materiale più efficiente o come potrebbe trasportare energia più velocemente.

"Potremmo essere in grado di utilizzare questi modelli di rete per facilitare il processo di progettazione, " disse Oate.