Докторант Нил Мехта работает с проф. Дебора Левин рассмотрела два разных материала, которые обычно используются на внешней поверхности тонких тел, – гладкий графен и более грубый кварц. В модели эти материалы подверглись атаке агрегатов, состоящих из атомов аргона, кремния и кислорода, чтобы имитировать столкновение частиц льда и пыли с двумя поверхностными материалами.
Эти молекулярно-динамические исследования научили их, что прилипло к поверхности, нанесенный ущерб и сколько времени потребовалось, чтобы нанести ущерб – и все это размером в один ангстрем, который в основном равен длине атома.
Почему такой маленький? Мехта сказал, что важно начать с изучения «первых принципов», чтобы полностью понять эрозионное воздействие льда и кремнезема на поверхности графена и кварца. Но те, кто моделирует гидродинамику, используют длины от нескольких миллиметров-микрометров до сантиметров, поэтому срочно требовалось масштабирование физики МД-моделей.
Волнение по поводу этой работы заключается в том, что она впервые была сделана в этом приложении.
«К сожалению, вы не можете просто взять результаты этого очень крошечного уровня Ангстрема и использовать их в расчетах возвращаемых космических аппаратов», – сказал Мехта. "Вы не можете напрямую перейти от молекулярной динамики к вычислительной гидродинамике. Требуется еще несколько шагов.
Применяя строгие кинетические методы Монте-Карло, мы взяли детали в этом очень крошечном масштабе и проанализировали доминирующие тенденции, чтобы более крупные методы моделирования могли использовать их в программах моделирования, которые имитируют развитие поверхностных процессов, происходящих в гиперзвуковом полете, таких как эрозия и др. напыление, точечная коррозия.
«С какой скоростью будут происходить эти процессы и с какой вероятностью возникнут эти типы повреждений, были ключевыми особенностями, которые ранее не использовались ни в одном другом кинетическом методе Монте-Карло или в масштабных мостах», – сказал он.
По словам Мехты, эта работа уникальна, потому что она включала экспериментальные наблюдения за взаимодействием газа с поверхностью и моделирование молекулярной динамики, чтобы создать правило «первых принципов», которое можно применить ко всем этим поверхностям.
"Например, лед имеет тенденцию образовывать хлопья, кристаллы льда.
Он создает фрактальный узор, потому что лед любит прилипать к другому льду, поэтому более вероятно, что водяной пар будет конденсироваться рядом с частицей льда, которая уже находится на поверхности, и создаст решетчатый элемент. А песок просто рассыпается.
У него нет никаких предпочтений. Итак, одно правило состоит в том, что лед любит прилипать к другому льду.
«Точно так же для деградации правило графена состоит в том, что повреждение с большей вероятностью произойдет рядом с уже существующим повреждением», – сказал Мехта. «Есть несколько правил, в зависимости от того, какой материал вы используете, по которым вы можете фактически изучить, что происходит от атомного уровня до микрометрового ландшафта, а затем использовать результаты для реализации в вычислительной гидродинамике или любом длительном крупномасштабном моделировании. "Мехта сказал.
Одно из приложений этой работы – исследование того, как проектировать системы тепловой защиты для тонких транспортных средств и небольших спутников, находящихся на высотах около 100 км.