根据两项新研究，科学家们完成了迄今为止最详细的材料断裂模拟之一。这些发现发表在《美国国家科学院院刊》上，应该能让研究人员深入了解物质在特定条件下失效的原因，并有助于设计具有定制特性的新材料。
研究人员利用了刚启用一年的 ASCI White 超级计算机的强大计算能力，该计算机每秒可完成超过 1013 次计算，以模拟多达十亿个原子的行为。“材料的突然意外断裂可能会造成灾难性后果，例如地震或飞机结构失效期间，”IBM 阿尔马登研究中心的 Farid F. Abraham 指出。为了更好地理解其中的过程，他和他的同事模拟了各种材料的立方体，并跟踪了单个原子在两种类型的失效过程中的反应。第一种是脆性断裂，相邻原子之间的键断裂，玻璃破碎时就会发生这种情况。第二种是所谓的加工硬化，材料最初在响应施加的压力时变得柔韧，但在反复应力后会断裂。弯曲的回形针经常会屈服于这种现象。
每次模拟需要长达 10 天的计算，在此期间，超级计算机计算了每个原子及其邻居之间力的作用。在第一个实验中，该实验模拟了经历脆性断裂的两层固体，科学家们发现裂纹可以以超过音速的速度在材料中传播。尽管此前认为这种超音速裂纹速度是不可能的，但在实验室实验和最近土耳其发生的地震中都已观察到或怀疑存在这种现象。新的结果为这些观察提供了进一步的理论支持。
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在第二个实验中，超级计算机模拟了原子相互作用，当由延展性物质制成的模拟立方体的边缘被拉开时。这种材料中的原子最初通过彼此滑过，从而响应应力，产生所谓的错位原子位错。计算揭示了数百个原子波纹的形成和相互作用。在某些材料中，位错可以简单地穿过材料，但如果应力在更强的物质中持续存在，位错就会被钉在一起，最终导致材料变脆并断裂。