I veicoli che si muovono a velocità ipersoniche sono bombardati da cristalli di ghiaccio e particelle di polvere nell'atmosfera circostante, rendendo il materiale superficiale vulnerabile a danni come erosione e sputtering con ogni piccola collisione. I ricercatori dell'Università dell'Illinois a Urbana-Champaign hanno studiato questa interazione una molecola alla volta per comprendere i processi, quindi ridimensionato i dati per renderli compatibili con simulazioni che richiedono una scala più ampia.

Lo studente di dottorato Neil Mehta, in collaborazione con la prof.ssa Deborah Levin, ha esaminato due diversi materiali comunemente usati sulle superfici esterne dei corpi snelli:un grafene liscio e un quarzo più ruvido. Nel modello, questi materiali sono stati attaccati da aggregati composti da atomi di argon e atomi di silicio e ossigeno per simulare particelle di ghiaccio e polvere che colpiscono i due materiali di superficie. Questi studi di dinamica molecolare hanno insegnato loro cosa si attaccava alle superfici, il danno fatto, e il tempo impiegato per causare il danno, il tutto delle dimensioni di un singolo angstrom, che è sostanzialmente la lunghezza di un atomo.

Perché così piccolo? Mehta ha affermato che è importante iniziare osservando i "principi primi" per comprendere a fondo gli effetti erosivi del ghiaccio e della silice sulle superfici di grafene e quarzo. Ma coloro che simulano la fluidodinamica utilizzano lunghezze che vanno da diversi millimetri micrometri a cm, quindi era urgentemente necessario aumentare la fisica dei modelli MD. L'entusiasmo di questo lavoro è che è stato il primo a farlo in questa applicazione.

"Sfortunatamente, non puoi semplicemente prendere i risultati di questo minuscolo livello di angstrom e usarlo nei calcoli dei veicoli di rientro dell'ingegneria aerospaziale, "Mehta ha detto. "Non puoi saltare direttamente dalla dinamica molecolare alla fluidodinamica computazionale. Ci vogliono molti altri passaggi. Applicando il rigore delle tecniche cinetiche Monte Carlo, abbiamo preso i dettagli su questa scala molto piccola e analizzato le tendenze dominanti in modo che tecniche di simulazione più grandi possano usarli in programmi di modellazione che simulano l'evoluzione dei processi di superficie che si verificano nel volo ipersonico, come l'erosione, farfugliare, pitting.

"A quale velocità si verificheranno questi processi e con quale probabilità si verificheranno questi tipi di danni erano le caratteristiche chiave che nessun altro Kinetic Monte Carlo o scale bridging ha utilizzato prima, " Egli ha detto.

Secondo Mehta, il lavoro è unico perché ha incorporato osservazioni sperimentali delle interazioni gas-superficie e simulazioni di dinamica molecolare per creare una regola dei "principi primi" che può essere applicata a tutte queste superfici.

"Per esempio, il ghiaccio tende a formare scaglie, cristalli di ghiaccio. Crea uno schema frattale perché al ghiaccio piace attaccarsi a un altro ghiaccio, quindi è più probabile che il vapore acqueo si condensi vicino a una particella di ghiaccio che è già in superficie e crei una caratteristica simile a un traliccio. Mentre la sabbia si disperde. Non ha alcuna preferenza. Quindi una regola è che al ghiaccio piace attaccarsi ad altro ghiaccio.

"Allo stesso modo, per degrado, la regola sul grafene è che il danno è più probabile che si verifichi accanto a un danno preesistente, " Ha detto Mehta. "Ci sono diverse regole, a seconda del materiale che stai usando, che puoi effettivamente studiare cosa succede da un livello atomico a un paesaggio micrometrico, quindi utilizzare i risultati per implementare in fluidodinamica computazionale o qualsiasi lungo, simulazione su larga scala, "Meta ha detto.

Un'applicazione per questo lavoro è per la ricerca su come progettare sistemi di protezione termica per veicoli snelli e piccoli satelliti ad altitudini prossime ai 100 km.

Lo studio, "Modellazione multiscala della topologia superficiale danneggiata in un confine ipersonico, " è stato scritto da Neil A. Mehta e Deborah A. Levin. È pubblicato nel Giornale di Fisica Chimica .