فريق البحث من IBMبالتعاون مع مختبر أبحاث المجلس البريطاني للعلوم والتكنولوجيا، قام الباحثون بتطوير نوع جديد من محاكاة المواد التي تسمح بتحسين القدرة على التنبؤ بمتانة المواد في المواقف والنماذج المختلفة.
غالبًا ما تتعرض المواد المستخدمة في الأنظمة الصناعية والهندسية - مثل الحديد والصلب - لدرجات حرارة عالية وضغوط شديدة، في بيئات معقدة حيث قد تتغير خصائص هذه المواد بشكل كبير مقارنة بالخصائص التي نعرفها في الظروف العادية.
ومن أشهر الأمثلة على هذه الظاهرة الغلاف الخارجي لمكوك الفضاء كولومبيا، الذي تم بناؤه من الطوب الذي يجمع بين السيليكا (الرمل) وأكسيد الألومنيوم - من أجل الحماية من درجات الحرارة القصوى. إذا نظرنا إلى الوراء، فمن الصعب أن نصدق كيف تمكن المهندسون من تحقيق هذا الهدف، نظرا للكمية المحدودة من قوة الحوسبة المتاحة لهم.
إن إمكانية التنبؤ بسلوك المواد، مثل مواد الكسوة هذه، في ظل ظروف تختلف جوهريا عن ظروف البيئة اليومية، وعندما تكون الإمكانيات التجريبية محدودة بطبيعتها، تشكل تقدما أساسيا في عالم التخطيط واكتشاف مواد جديدة. وهنا ينشأ تحدي فريد لمحاكاة المواد، وهو ما يتطلب نماذج معقدة بشكل خاص.
قام فريق من الباحثين في شركة IBM، بالتعاون مع مختبر الأبحاث التابع لمجلس العلوم والتكنولوجيا البريطاني، بتطوير نوع جديد من محاكاة المواد، مما يجعل من الممكن تحسين القدرة على التنبؤ وتوسيع نطاق المواقف التي تشير إليها نماذج المادة على المستوى الجزيئي. النزول إلى هذا المستوى الأساسي يسمح بتنبؤ أكثر دقة: إن تكامل النموذج الذي يتنبأ بالتفاعل على مستوى إلكترونات الذرة المفردة، يسمح للمحاكاة بالتصرف كما لو كانت جزيءًا منفردًا حقيقيًا - تحليل طريقة رد فعله ضمن نظام أكبر وأكثر تعقيدا.
وفي مقال علمي نشر هذا الشهر في مجلة Nature Scientific Reports، يوضح الباحثون -بمساعدة هذا النموذج- السلوك الغامض للمياه، بالقرب من نقطة التجمد. شذوذ المياه معروف جيدًا لأي شخص نسي زجاجة مملوءة بالماء في حجرة التجميد بالثلاجة واكتشف أن الزجاجة انفجرت بسبب تمدد حجم الماء الذي يحدث حول نقطة التجمد. وفي التحول بين السائل والجليد، يزيد حجم الماء، على عكس السلوك الذي نعرفه في المواد الأخرى، التي تميل إلى الانكماش وفقدان حجمها عندما تبرد.
أجرى الباحثون محاكاة للمياه من أجل فحص الخواص الجزيئية عند نهاية نطاق درجة الحرارة حيث يُظهر الماء ثباتًا هيكليًا: عند الطرف العلوي من هذا النطاق، يتم ضغط الماء إلى سلاسل صغيرة من الجزيئات، مما يشكل قطرات درجة حرارتها وينخفض إلى أدنى مستوى يمكن تحقيقه داخل هذا الهيكل من سائل بارد خاصة - وهو أقل بكثير من نقطة الركود. في وقت لاحق، تمر وترتب نفسها في هيكل "ممتد" - عندما تدعم الروابط بين جزيئات السائل الضغوط العالية، قبل أن "تنكسر" من أجل إنشاء منحنيات مميزة. وكشف العمل أيضًا عن روابط غير معروفة سابقًا بين البنية الجزيئية للسائل وما يعرف باسم "الجليد غير المتبلور" - مع نسيج يذكرنا بالآيس كريم الذي تمت إذابته وإعادة تجميده بشكل غير متساو.
إن النجاح الذي سجله النموذج في التنبؤ بسلوك الماء في العالم الحقيقي يقدم دليلا على فعالية أسلوب المحاكاة على مستوى الجزيء الوحيد الذي يشكل أساس هذا النموذج. على الرغم من أن النموذج المعروض في المقال يطبق على السوائل - إلا أن مبادئه التوجيهية يمكن تطبيقها عمليًا في عالم المواد الصلبة، وتقوم شركة IBM الآن بتطوير تطبيقات جديدة له، في مجال علوم الحياة.
