Les matériaux complexes, allant de molécules d'ADN à coques en acier des pétroliers, sont affectés par des processus qui couvrent de larges plages de temps et d'espace. Les phénomènes critiques peuvent être décrits de manière réaliste en liant les modèles de calcul des matériaux à différentes échelles. Succès modélisation multi-échelle des matériaux et des processus est maintenant prédictif et non pas seulement descriptive.
Les matériaux de nous-de entourent les matières premières telles que les minerais de métaux dans la terre, les biomatériaux de protéines dans notre corps à des matériaux fonctionnels que la puissance des appareils électroniques. Des sciences et de l’ingénierie exige le plus grand des matériaux, et de plus en plus leurs propriétés sont testées rapidement et efficacement en utilisant la modélisation informatique.
La modélisation des processus liés matériaux n'est pas simple, car les phénomènes sous - jacents couvrent une vaste gamme de longueurs et des échelles de temps. Par exemple, bien que la corrosion du métal est initiée par des mouvements d'électrons qui se produisent au sein de milliardièmes de seconde, il prend quelques minutes pour les premières couches de surface pour former la rouille et il peut prendre des années ou des siècles pour que les effets destructeurs pour devenir significatif. Les niveaux d'information dans les matériaux de calcul scientifique sont généralement classés en quatre régimes. Tout d'abord, à l'échelle quantique: calculs théoriques et expériences pratiques décrivent comment les électrons se comportent dans les atomes, exposant la nature de la liaison chimique à partir de laquelle les propriétés des matériaux dérivent; ces calculs détaillés sont limités à des groupes relativement petits de plusieurs centaines d’atomes, qui sont maintenant en détail le comportement des électrons à l’attoseconde. Deuxièmement, au niveau atomistique: calculs moléculaires dynamiques simulent les mouvements de millions d'atomes et de molécules selon les principes électromagnétiques connus; le mouvement peut être simulé seulement pour de courtes périodes (milliardièmes de seconde).Troisièmement, à l'échelle mésoscopique, les calculs remplacent des milliers d'atomes avec une propriété moyenne, tels que la densité de masse, la charge ou la température, ce qui permet des simulations physiques de procéder plus longtemps (de nanosecondes à microsecondes). Quatrièmement, à l'échelle macroscopique: des millions de particules sont traités comme une distribution continue, et les propriétés physiques sont résolus en utilisant des équations thermodynamiques et cinétiques classiques. Cela permet aux chercheurs de simuler des processus, tels que l'écoulement à travers un pipeline ou le rendement d'une turbine, en temps réel.
La connexion de ces niveaux est vital pour le développement de modèles multi-échelles qui décrivent et même de prédire le comportement des matériaux essentiels. Ce document fournit trois exemples de progrès vers cet objectif grâce à l'élaboration de stratégies quantitatives de conception, à la découverte des mécanismes naturels importants, et en utilisant la mécanique quantique pour prédire les produits et procédés.
DEROULEMENT SECRETS DE PROTÉINES
Les protéines comprennent des chaînes d'acides aminés qui se replient dans des formes uniques dans les cellules. Ce processus de pliage est au cœur de la fonction biologique d'une protéine - par exemple, la maladie d'Alzheimer est caractérisée par des protéines mal repliées amyloïde, qui agglomère en plaques. La mise en place des modèles précis de structures de protéines pourrait conduire à des percées dans les traitements thérapeutiques.
Les interactions complexes qui régissent le repliement des protéines sont comprises à l'échelle quantique; Cependant, les délais - de microsecondes à des années in vivo - et les millions d'atomes qui constituent des milieux de protéines ont limité le pouvoir prédictif à cette échelle. De nouveaux concepts, des algorithmes et des codes informatiques ont permis aux petites mais pertinentes simulations quantiques, en utilisant 100-1,000 atomes, pour fournir un aperçu prédictifs sur les mécanismes biologiques importants.
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Figue. 1 Comportement du polypeptide
15-alanine. Simulations du déroulement
d'une hélice de protéines avec et sans van
der ...
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Par exemple, considérons le comportement du polypeptide 15-alanine (Fig. 1). Expérimentalement, cette protéine courte chaîne forme une forme de hélicoïdale qui est thermiquement stable jusqu'à 475 ° C, mais les méthodes de calcul précédentes ne pouvait pas expliquer ce comportement; Les simulations ont montré l'hélice effilochage à des températures élevées.
En développant des simulations quantiques qui comprennent van der Waals, les modèles multi-échelles ont donné des structures de protéines correctes. Bien que les défis demeurent - telles que l'incorporation des effets de solvant et de l'extension des temps de simulation - ces résultats démontrent que la structure des protéines simple, pliage et dépliage problèmes ne sont pas insolubles grâce à des calculs.
PRÉDIRE IMPLANTS MEILLEURES
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Figue. 2 | Conception d’alliages biomédicaux.
Procédure de grainage grossier pour la
conception
de
nouvelles nuances d'alliage biomédicales utilisant
un ..
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Implants biomédicaux sont de plus en plus importants pour les populations vieillissantes, mais les implants actuels souffrent de l'effet de stress-protecteur (Fig. 2). Le remplacement des pièces du squelette avec des implants métalliques rigides boucliers cellules osseuses vivantes de leurs charges mécaniques habitués, la densité osseuse diminue, la minéralisation et la force. ELASTIQUEMENT les matériaux plus tendres sont donc nécessaires.
Dans les implants tels que les prothèses de hanche, les alliages de titane sont largement utilisés en raison de leur force et leur faible toxicité. Les implants en titane peuvent être faits plus souple en les solidifiant en une structure cristalline appelée phase beta. Cependant, les alliages de titane en phase bêta sont difficiles à réaliser en raison de leur stabilité réduite.
Au lieu d'une recherche expérimentale remplie d'essais et d'erreurs, il est possible d'utiliser la conception de la théorie guidée par des matériaux biomédicaux à l'écran systématiquement une série d'alliages de titane-niobium pour la stabilité en phase bêta à l'aide mécanique quantique calculs basés, puis d'utiliser la grandeurs thermodynamiques dérivées de ces calculs comme base pour la modélisation macroscopique du comportement élastique.
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Cette approche prévoit la conception d'alliages avec à peu près la moitié de la rigidité des implants actuels - en promettant de réduire la douleur pour les millions de patients qui reçoivent des greffes de la hanche chaque année. Il ouvre également des possibilités pour la conception de la théorie guidée des futurs produits biomédicaux.
OUVERTURE UP MATÉRIAUX MOUS
Les matériaux souples forment des systèmes organisés à l'échelle au-delà de celles des molécules, dans des produits allant des matières plastiques en pots de yaourt, à des aliments tels que la mayonnaise et à des molécules biologiques, y compris l'ADN. Ils diffèrent des «matière dure» (comme l’acier ou l' or) par la densité d'énergie plus faible: les obligations sont 100-1,000 fois plus faibles que ceux des cristaux métalliques .
Les effets thermiques influencent l'organisation de matériaux souples. Par conséquent, les modèles ne peuvent pas utiliser des calculs quantiques seul; calculs thermodynamiques doivent également être inclus.
La modélisation de matériaux souples commence par une description atomique, puis dérive un modèle plus large pour les simulations sur une période plus longue. Cette approche peut rapidement basculer entre les niveaux de résolution et peut être exécuté dans le sens inverse pour étudier le comportement de fusion. Divers problèmes de matériau souple, comme la stabilité du polymère ou de commutation à cristaux liquides, peuvent être résolus de cette façon.
AVENIR ET PERSPECTIVES
Imaginez passer d'une étude des atomes d'alliage individuels simulant le matériau dans un accident d'essai automobile ou en utilisant les résultats des simulations biomoléculaires pour décrire le fonctionnement des vaisseaux sanguins. Modélisation multi-échelle pourrait faire une telle vision réalité, mais des défis demeurent. théories unifiées de la matière, qui peut combler les échelles de calcul d'une manière physiquement cohérente, doivent être développées. Les observations expérimentales sont nécessaires pour vérifier les prédictions du modèle à tous les niveaux. Le succès modélisation multi-échelle doit être capable de gérer la complexité des situations réelles pour éviter de générer des prédictions incorrectes.
Un modèle multi - échelle, sur la base couplés ab initio et continuum des simulations, a aidé à démêler la structure et les propriétés des polymères naturels à base de chitine-moléculaire et mésoscopique. Ces matériaux forment l'exosquelette des arthropodes, y compris les insectes, les araignées et les décapodes. Le modèle peut être utilisé pour concevoir des polymères synthétiques de pointe. Le projet a été réalisé conjointement par la Société Max Planck, l'Académie bulgare des sciences et le Massachusetts Institute of Technology