這很容易被視為理所當然?？茖W家在研究壓力時會這樣做，壓力是物體上每單位面積的力。科學家通過假設它具有對稱性來數(shù)學處理壓力。這意味著如果用轉彎或翻轉等方式轉換受應力的物體，應力的分量是相同的。超級計算機模擬表明，在原子水平上，材料應力不對稱。這些發(fā)現(xiàn)可以幫助科學家們設計出不會結冰的新材料，如玻璃或金屬。

這是根據(jù)2018年9月在“皇家學會學報”A期刊上發(fā)表的一項研究得出的。研究報告的共同作者黎明雄總結了兩個主要發(fā)現(xiàn)。“經(jīng)典連續(xù)介質力學中應力張量的普遍接受的對稱性質是基于某些假設，當材料以原子分辨率解??析時，它們將無效。”熊繼續(xù)說，“廣泛使用的原子維里應力或哈代應力公式顯著低估了應力集中器附近的應力，如位錯變形材料中的位錯核心，裂紋尖端或界面。”Liming Xiong是愛荷華州立大學航空航天工程系的助理教授。

Xiong及其同事以不同于經(jīng)典連續(xù)介質力學的方式處理應力，經(jīng)典連續(xù)介質力學假設材料是無限可分的，因此當材料體積接近零時，材料點的動量矩消失。相反，他們使用數(shù)學家AL Cauchy的定義作為單位面積作用于三個矩形平面的力。由此，他們進行了分子動力學模擬，以測量由位錯，相界和孔引起的不均勻性的材料的原子級應力張量。

熊說，計算上的挑戰(zhàn)膨脹到目前可計算的極限，當一個人處理原子力在雨滴的一小部分空間內相互作用時。“需要計算的自由度將是巨大的，因為即使是微米級的樣本也會包含數(shù)十億個原子。數(shù)十億個原子對將需要大量的計算資源，”熊說。

而且，Xiong補充說，缺乏一個完善的計算機代碼，可用于原子尺度的局部應力計算。他的團隊使用了開源LAMMPS分子動力學模擬器，結合了Lennard-Jones原子間勢，并通過他們在論文中制定的參數(shù)進行了修改。“基本上，我們正試圖迎接兩個挑戰(zhàn)，”熊說。“一個是在原子水平上重新定義壓力。另一個是，如果我們有一個明確定義的壓力量，我們可以使用超級計算機資源來計算它嗎?”

熊被國家科學基金會資助的極端科學與工程發(fā)現(xiàn)環(huán)境XSEDE授予超級計算機分配。這使得熊可以進入圣地亞哥超級計算機中心的Comet系統(tǒng);和Jetstream，印第安納大學，亞利桑那大學和德克薩斯高級計算中心支持的云環(huán)境。

“Jetstream是一個非常適合開發(fā)計算機代碼，調試和測試它的平臺，”Xiong說。“Jetstream專為小規(guī)模計算而設計，不適用于大規(guī)模計算。一旦代碼開發(fā)和基準測試，我們將其移植到petascale Comet系統(tǒng)，使用數(shù)百到數(shù)千個處理器執(zhí)行大規(guī)模模擬。這就是我們的方法。使用XSEDE資源進行這項研究，“熊解釋道。

Jetstream系統(tǒng)是一種可配置的大規(guī)模計算資源，它利用按需和持久性虛擬機技術來支持比當前NSF資源所能容納的更廣泛的軟件環(huán)境和服務。

“該代碼的調試需要云監(jiān)控和按需智能資源分配，”熊回憶說。“我們需要首先測試它，因為該代碼不可用.Jetstream具有云監(jiān)控和按需智能資源分配的獨特功能。這些是我們選擇Jetstream開發(fā)代碼的最重要功能。”

“我們的研究小組給Jetstream留下了最深刻的印象，”Xiong繼續(xù)說道，“是云監(jiān)控。在代碼的調試階段，我們確實需要監(jiān)控代碼在計算過程中的表現(xiàn)。如果代碼沒有完全開發(fā)，如果還沒有基準測試，我們不知道哪個部分有問題。云監(jiān)控可以告訴我們代碼在運行時的表現(xiàn)如何。這是非常獨特的，“熊說。

熊先生說，模擬工作可以幫助科學家在一種稱為多尺度建模的方法中彌合現(xiàn)實的微觀和宏觀尺度之間的差距。“多尺度正試圖彌合原子連續(xù)體。為了開發(fā)多尺度建模的方法，我們需要對每個層次的每個數(shù)量都有一致的定義......這對于建立自洽的并發(fā)原子 - 非常重要 - 連續(xù)計算工具。使用該工具，我們可以自下而上地預測材料性能，質量和行為。通過將材料視為原子的集合，我們可以預測其行為。壓力只是一個墊腳石。那，我們有數(shù)量來彌合連續(xù)統(tǒng)一體，“熊說。

熊和他的研究小組正在開展幾個項目，以應用他們對壓力的理解來設計具有新穎性質的新材料。“其中一個是從材料表面除冰，”熊解釋說。“你可以觀察到的一個常見現(xiàn)象是在寒冷的天氣里在車窗上形成的冰。如果你想要將它移除，你需要在冰上施加一個力。除去冰塊所需的力和能量與壓力有關。張量定義和冰與車窗之間的界面?；旧?，壓力定義，如果在局部范圍內清晰，它將提供在我們日常生活中使用的主要指導。

熊在科學的計算方面看到了巨大的價值。“超級計算是一種非常強大的計算方法。如今，人們希望加快新材料的開發(fā)。我們希望在將其投入批量生產(chǎn)之前制造和理解材料行為。這需要一個預測模擬工具。預測模擬工具確實將材料視為原子的集合。與原子相關的自由度將是巨大的。即使是微米級的樣品也會包含數(shù)十億個原子。只有超級計算機可以提供幫助。這對超級計算來說非常獨特，“熊說。