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新方法预测电磁流量计在不同温度下的演变行为

来源:    发布日期:2019-09-11 17:42:59    作者:

    电磁流量计的特性并不完全生动。具体而言,其原子排列和行为的方式是令人震惊的不透明。

    问题在于电磁流量计是一种无定形固体,是一组属于液体和固体之间隐蔽区域的材料。电磁流量计材料还包括聚合物或通常使用的塑料。虽然它似乎是稳定和静止的,但是电磁流量计原子却在不加思索地寻求平衡的过程中不断地拖曳。这种狡猾的行为使研究人员很难确定电磁流量计的物理特性。

    目前,包括西北大学,北达科他州立大学和国家标准与技术研究所(NIST)在内的多机构研究团队已经制定了一种算法,旨在使聚合物电磁流量计更加清晰。该算法使科学家们可以开发粗粒度模型来设计具有动态特性的材料并估计其反复变化的行为。它被称为“能量重整化算法”,它是第一个精确预测电磁流量计在不同温度下的机械行为,并且可以为快速发现具有理想特性的新材料铺平道路。

    “目前的材料发现过程可能需要数十年的时间,”西北大学的Sinan Keten说,他是该研究的共同领导者。“我们的方法将分子模拟扩展了大约一千倍,因此我们可以更快地设计材料并检查它们的行为。”

    “虽然电磁流量计材料都在我们周围,但科学家们仍然很难理解它们的性质,例如它们的流动性和扩散性随着温度或成分的变化而变化,” NIST研究员Jack F. Douglas说道,他与Keten共同领导了这项研究。“缺乏理解是新材料合理设计的一个严重限制。”

    该研究论文最近发表在“ 科学进展 ”杂志上。北达科他州立大学土木与环境工程助理教授夏文杰是该论文的第一作者。

    电磁流量计的奇怪行为来自它的制造方式。它始于熔融材料的热池,然后快速冷却。尽管最终材料希望在冷却状态下达到平衡,但它极易受到变化的温度的影响。在材料被加热的情况下,其机械性能可以根本变化。这使得科学家们很难通过使用当前的分子模拟方法熟练地预测机械性能。

    电磁流量计结构与结晶固体形成鲜明对比,其中原子以有序,对称和可预测的方式建立。“结晶材料中的原子很容易映射,因为它们具有重复结构,”Keten解释道。“在无定形材料中,由于缺乏长程有序,很难对结构进行映射。”

    “由于电磁流量计的无定形和无序性,其性质可能会随温度的变化而变化,因此对其物理行为的预测非常困难,” Xia补充道。“现在,我们找到了解决这个问题的新方法。”

    为了应对这一挑战,Keten,Douglas,Xia和他们的合作伙伴想出了他们的算法,可以通过多种方式考虑电磁流量计分子随时间变化的温度。计算电磁流量计中每个原子的位置将是非常缓慢和繁琐 - 即使对于高功率算法 - 来测量。所以Keten和他的合作伙伴使用了“粗粒度建模”,这是一种简化的方法,可以研究原子簇而不是单个原子。他们的新方法有效地限制了这些较粗颗粒之间的相互作用,因此当电磁流量计状材料开始冷却时,模型可以捕获分子运动中令人兴奋的减速。

    “我们不能对纳米级厚度的电磁流量计薄膜进行逐个原子模拟,因为即使这样太大,” Keten说。“那仍然是数以百万计的分子。粗粒度模型使我们能够研究与实验室实验相当的更大系统。“

    到目前为止,Keten和他的团队已经验证了他们针对三种已经完善且非常多样化的聚合物电磁流量计形成液体的算法。在每种情况下,算法都能正确预测所识别的动态特性,涵盖各种温度范围。

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