维也纳理工大学 一小片金属在计算机上被逐原子模拟
信用:图文 磨损和摩擦是许多工业领域的关键问题:当一个表面滑过另一个表面时会发生什么？材料中必须预期哪些变化？这对机器的耐用性和安全性意味着什么？ 原子水平上发生的事情不能直接观察到
然而，一个额外的科学工具现在可以用于这个目的:复杂的计算机模拟第一次变得如此强大，以至于可以在原子尺度上模拟真实材料的磨损和摩擦
维恩大学(维也纳)的摩擦学团队，由教授领导
卡斯滕·加乔特现已证明，这一新的研究领域目前在著名的科学杂志《美国化学学会应用材料与界面》上发表了可靠的结果
用高性能计算机模拟了由铜和镍组成的表面的行为
这些结果与电子显微镜的图像惊人地吻合，但它们也提供了有价值的额外信息
摩擦改变微小颗粒 对于肉眼来说，当两个表面相互滑动时，看起来并不特别壮观
但在微观层面上，发生了非常复杂的过程:“金属，因为它们被用于技术，有一个特殊的微观结构，”博士解释说
斯特凡·埃德尔，当前出版物的第一作者
“它们由直径为几微米甚至更小的小颗粒组成
" 当一种金属在高剪切应力下滑过另一种金属时，这两种材料的晶粒会紧密接触:它们可以旋转、变形或移动，也可以破碎成更小的晶粒或因温度升高或机械力而生长
所有这些发生在微观尺度上的过程，最终决定了材料在大尺度上的行为——因此它们也决定了机器的使用寿命、马达因摩擦而损失的能量，或者制动器在需要最大摩擦力的情况下工作的好坏
受应力的金属表面(铜和镍)
不同种类的变形是可见的
金属颗粒结构的变化是在一台具有原子分辨率的超级计算机上模拟的
信用:图文 计算机模拟与实验 斯特凡·埃德尔说:“这些微观过程的结果可以在电子显微镜下观察。”
“你可以看到表面的纹理结构是如何变化的
然而，还不可能研究这些过程的时间演变，并确切地解释在哪个时间点什么原因什么影响
" 维恩大学摩擦学团队与维也纳大学摩擦学卓越中心和伦敦帝国理工学院合作开发的大型分子动力学模拟填补了这一空白:在计算机上逐个原子地模拟表面
模拟的材料块越大，模拟的时间越长，需要的计算机能力就越强
斯特凡·埃德尔说:“我们在几纳秒的时间内模拟了边长高达85纳米的截面。”
这听起来不多，但却很了不起:即使是奥地利最大的超级计算机维也纳科学集群4，有时也可能一次忙上几个月
研究小组研究了铜和镍的合金的磨损——并使用了两种金属的不同混合比例和不同的机械载荷
斯特凡·埃德尔说:“我们的计算机模拟准确地揭示了实验中已知的各种过程、微观结构变化和磨损效应。”
“我们可以利用我们的模拟产生与电子显微镜图像完全一致的图像
然而，我们的方法有一个决定性的优势:我们可以在计算机上详细分析这个过程
我们知道哪个原子在哪个时间点改变了它的位置，在这个过程的哪个阶段哪个粒子到底发生了什么
" 了解磨损—优化工业流程 这些新方法已经引起了工业界的极大兴趣:“多年来，人们一直在讨论摩擦学可以从可靠的计算机模拟中获益
卡斯滕·加乔特说:“现在我们已经达到了这样一个阶段，模拟的质量和可用的计算能力如此之高，以至于我们可以用它们来回答激动人心的问题，否则这些问题是无法回答的。”
将来，他们还想在原子水平上分析、理解和改进工业过程
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