Химия и материалы

Электронная структура

Электроны молекулы или кристалла рассчитывают из квантовой механики, чтобы получить формы, энергии и цвета.

Вопрос, на который отвечает: Устойчива ли эта молекула и какого она цвета?

Не учитывает: Точная квантовая задача многих электронов неразрешима, поэтому любой метод где-то опирается на приближение.

Работает на: около 10¹⁵ FLOPS приблизительно университетский кластер, от часов до дней на молекулу или кристалл.С: 1953 первые расчёты по методу Хартри — Фока, выполненные на одних из первых компьютеров.

Динамика реакций

Связи рвутся и образуются в ходе химической реакции; часто реагирующая часть считается квантово-механически, а окружение классически.

Вопрос, на который отвечает: Каким путём идёт реакция и как быстро?

Не учитывает: Граница между квантовым ядром и классическим окружением — это выбор моделиста, а не настоящая линия.

Работает на: около 10¹⁵ FLOPS приблизительно университетский кластер, дни на каждую изучаемую реакцию.С: 1976 Первая комбинированная квантовая и классическая модель реакции, Уоршел и Левитт.

Вычислительный скрининг материалов

Тысячи возможных соединений рассчитывают автоматически, порой с выученными сокращениями, чтобы найти те, что обладают нужными свойствами.

Вопрос, на который отвечает: Какой из этих десяти тысяч кандидатов даст лучший аккумулятор или солнечный элемент?

Не учитывает: Отбирает кандидатов по легко вычисляемым свойствам, которые не всегда те, что важны для изготовления материала.

Работает на: около 10¹⁶ FLOPS приблизительно большой кластер, тысячи расчётов параллельно.С: 2006 первые высокопроизводительные расчёты, отсеивающие материалы-кандидаты.

Возбуждённые состояния и фотохимия

Молекула после поглощения фотона: считают, как она расслабляется, закручивается или распадается на энергетической поверхности, отличной от основного состояния.

Вопрос, на который отвечает: Что делает эта молекула в миг после поглощения света?

Не учитывает: Методы возбуждённых состояний менее надёжны, чем методы основного состояния, а самые дешёвые могут вообще ошибаться.

Работает на: около 10¹⁵ FLOPS приблизительно университетский кластер, от часов до дней на молекулу.С: 1984 первые нестационарные расчёты квантовой химии возбуждённых молекул.

Предсказание спектров

Ядра и электроны молекулы считают, чтобы предсказать, где окажутся её линии магнитного резонанса, инфракрасные и другие спектральные линии, и сверяют с измеренным спектром.

Вопрос, на который отвечает: Совпадает ли этот вычисленный спектр с тем, что на самом деле записал прибор, подтверждая структуру?

Не учитывает: Заметно ухудшается для более тяжёлых атомов и более гибких молекул, которые важнее всего на практике.

Работает на: около 10¹⁴ FLOPS приблизительно рабочая станция или небольшой кластер, часы на молекулу.С: 1974 первые вычисленные сдвиги ядерного магнитного резонанса, сопоставленные с измеренными спектрами.

Свободная энергия сольватации

Электроны молекулы пересчитывают так, будто она находится в непрерывном приближении растворителя, чтобы узнать, сколько энергии стоит или высвобождает её растворение.

Вопрос, на который отвечает: Насколько легко эта молекула растворится и меняет ли растворитель ход её реакций?

Не учитывает: Заменяет растворитель гладким усреднённым полем и опускает частные взаимодействия, например водородную связь с отдельной молекулой воды в критическом месте.

Работает на: около 10¹⁴ FLOPS приблизительно рабочая станция или небольшой кластер, от минут до часов на молекулу.С: 1981 первые модели непрерывного растворителя, добавленные в расчёты квантовой химии.

Межатомные потенциалы, полученные машинным обучением

Нейронную сеть подгоняют под энергии электронной структуры, а затем она ведёт молекулярную динамику с почти квантовой точностью по классической цене.

Вопрос, на который отвечает: Можно ли получить силы квантового уровня для миллионов атомов на наносекундах?

Не учитывает: Точность ограничена химическими составами и геометриями из обучающей выборки.

Работает на: около 10¹⁷ FLOPS приблизительно Обучение на тысячах квантовых расчётов, затем большая молекулярная динамикаС: 2007 Generalized neural-network representation of high-dimensional potential-energy surfaces (2007) источникВ дереве симуляций: Выученные суррогатные модели

Универсальные межатомные потенциалы

Одна графовая нейросеть, обученная на большой базе материалов, предсказывает энергии и силы почти для всей периодической таблицы.

Вопрос, на который отвечает: Может ли одна обученная модель заменить отдельный подогнанный потенциал для каждого материала?

Не учитывает: Точность зависит от элемента и часто сглаживает поверхность потенциальной энергии.

Работает на: около 10¹⁷ FLOPS приблизительно Обучение на миллионах структур, дешёвый выводС: 2022 A universal graph deep learning interatomic potential for the periodic table (2022) источник

Квантовая химия на квантовых компьютерах

Вариационный квантовый алгоритм готовит и измеряет электронное состояние молекулы на настоящем устройстве, а классический оптимизатор настраивает схему.

Вопрос, на который отвечает: Может ли квантовый процессор найти энергию основного состояния небольшой молекулы?

Не учитывает: Пока только очень малые молекулы, а в ошибке преобладает шум.

Работает на: без компьютера. Квантовое оборудование; классические проверки малыС: 2014 A variational eigenvalue solver on a photonic quantum processor (2014) источник

Молекулярная динамика ab initio

Атомы движутся во времени, а силы на каждом шаге пересчитываются по электронам, так что связи рвутся и образуются без заранее заданного силового поля.

Вопрос, на который отвечает: Как движутся и связываются атомы, когда силы между ними берутся прямо из квантовой механики?

Не учитывает: Можно проследить лишь сотни атомов на пикосекунды, а ошибки теории функционала плотности входят в каждую силу.

Работает на: около 10¹⁶ FLOPS приблизительно сотни атомов в течение десятков пикосекунд на большом вычислительном ресурсе.С: 1985 Единый подход Кара и Парринелло к молекулярной динамике и теории функционала плотности. источникВ дереве симуляций: Молекулярная динамика ab initio

Молекулярная динамика на интегралах по траекториям

Атомные ядра рассматриваются как квантовые объекты: каждое представлено кольцом связанных копий, так что туннелирование и нулевые колебания смещают водородные связи и диффузию.

Вопрос, на который отвечает: Насколько квантовые эффекты водорода меняют поведение воды и льда?

Не учитывает: Квантовое поведение в реальном времени не восстанавливается, только равновесные и приближённые динамические свойства.

Работает на: около 10¹⁵ FLOPS приблизительно десятки копий на атом умножают стоимость классической динамики.С: 1984 Симуляция электрона, пойманного в расплавленной соли, методом интегралов по траекториям, Parrinello и Rahman. источник

Электронная динамика в реальном времени

Электронное облако молекулы или кристалла прослеживают во времени, когда на него падает световой импульс, чтобы найти спектры поглощения и сверхбыстрый отклик.

Вопрос, на который отвечает: Как электроны реагируют в первые фемтосекунды после прихода света?

Не учитывает: Приближённый обменно-корреляционный функционал упускает некоторые возбуждения, а ионы обычно заморожены.

Работает на: около 10¹⁶ FLOPS приблизительно расчёт методом функционала плотности по шагам времени на много тысяч шагов.С: 1996 Нестационарное локальное приближение плотности в реальном времени, Ябана и Берч. источник

Динамика квантовых волновых пакетов

Ядра небольшой молекулы рассматривают как квантовую волну, движущуюся по поверхности энергии, чтобы точно проследить реакцию, туннелирование и колебания.

Вопрос, на который отвечает: Как молекула колеблется и вступает в реакцию, если её ядра подчиняются квантовой механике?

Не учитывает: Стоимость круто растёт с числом атомов, поэтому по силам только небольшие молекулы.

Работает на: около 10¹³ FLOPS приблизительно мультиконфигурационное распространение для десятков степеней свободы.С: 1990 Мультиконфигурационный зависящий от времени подход Хартри, Meyer, Manthe и Cederbaum. источник

Поиск переходных состояний и путей реакции

Путь наименьшей энергии между двумя расположениями атомов находят, релаксируя цепочку промежуточных образов, чтобы получить барьеры и скорости реакций.

Вопрос, на который отвечает: Какой барьер должны преодолеть атомы, когда молекула или дефект меняет форму?

Не учитывает: Она находит пути, существующие рядом с догадкой, и может пропустить настоящий самый низкий барьер.

Работает на: около 10¹⁴ FLOPS приблизительно каждое изображение требует расчёта электронной структуры, повторённого по всей цепочке.С: 1998 Метод упругой ленты для путей минимальной энергии, Jonsson, Mills и Jacobsen. источник

Автоматическая генерация механизмов реакций

Правила порождают все реакции, которые может пройти набор молекул, а затем модель скоростей отсекает лишнее и оставляет механизм горения или пиролиза.

Вопрос, на который отвечает: Какие реакции важны, когда топливо горит или распадается?

Не учитывает: Коэффициенты скоростей оценены по групповым правилам, а необычные пути проверены скудно.

Работает на: около 10⁸ FLOPS приблизительно рост сети из тысяч видов и кинетические расчёты.С: 1994 Компьютерное моделирование пиролиза Бродбелта, Старка и Клейна с созданием видов и реакций на лету. источник

Квантовый Монте-Карло для электронов

Случайные блуждающие частицы напрямую выбирают из многоэлектронной волновой функции и дают почти точные энергии молекул и твёрдых тел без приближения теории функционала плотности.

Вопрос, на который отвечает: Какова точная энергия этой электронной системы, как эталон для более дешёвых методов?

Не учитывает: Фермионной проблемы знака избегают, фиксируя узлы волновой функции, из-за чего ответ зависит от этой догадки.

Работает на: около 10¹⁷ FLOPS приблизительно миллионы ядро-часов для молекулярного кристалла.С: 1980 Стохастический расчёт основного состояния электронного газа Сеперли и Алдера. источник

Обученные функционалы плотности

Модель машинного обучения по электронной плотности предсказывает энергию и заменяет приближения, составленные вручную, в теории функционала плотности.

Вопрос, на который отвечает: Может ли подогнанный функционал превзойти те, что химики разрабатывали вручную и применяют десятилетиями?

Не учитывает: Подогнанный функционал надёжен только для видов молекул и условий, представленных в его обучающих данных.

Работает на: около 10¹⁶ FLOPS приблизительно обучение на высокоточных эталонных энергиях, затем обычный по стоимости расчёт электронной структуры.С: 2012 Машинно-обученные функционалы плотности Снайдера, Руппа, Хансена, Мюллера и Бёрка для модельной системы. источник

Волновые функции молекул на нейронных сетях

Нейронную сеть используют как многоэлектронную волновую функцию молекулы и обучают вариационным методом Монте-Карло до почти точных энергий.

Вопрос, на который отвечает: Насколько точно обученная волновая функция описывает электроны небольшой молекулы?

Не учитывает: Стоимость круто растёт с числом электронов, поэтому достигнуты лишь небольшие молекулы.

Работает на: около 10¹⁸ FLOPS приблизительно дни на десятках видеокарт для одной молекулы.С: 2019 FermiNet Pfau и коллег: решение многоэлектронного уравнения Шрёдингера глубокой нейронной сетью. источник

Жидкости и растворы

Вода и другие жидкости как миллионы взаимодействующих молекул с растворёнными в них веществами.

Вопрос, на который отвечает: Почему у воды аномальные свойства и как растворяется соль?

Не учитывает: Силовое поле между атомами подогнано под небольшой набор свойств, и нет гарантии, что оно воспроизведёт остальные.

Работает на: около 10¹⁴ FLOPS приблизительно видеокарта настольного компьютера; миллиарды шагов молекул в секунду.С: 1964 Молекулярная динамика жидкого аргона Рахмана; воду проследили вместе с Рахманом и Стиллингером в 1971 году

Полимеры и мягкая материя

Длинноцепочечные молекулы, гели, пены и жидкие кристаллы, обычно укрупнённые до бусин.

Вопрос, на который отвечает: Как растягивается пластик и как застывает гель?

Не учитывает: Огрубление отбрасывает быстрое атомное движение, поэтому время некоторых процессов лишь приблизительно.

Работает на: около 10¹⁴ FLOPS приблизительно видеокарта настольного компьютера или небольшой кластер, часы на систему.С: 1962 Ранняя решёточная модель полимерной цепи методом Монте-Карло, Вердье и Стокмайер.

Горение

Пламя как течение жидкости, связанное с сотнями химических реакций.

Вопрос, на который отвечает: Как сжигать топливо чище или не давать двигателю стучать?

Не учитывает: Сотни настоящих реакций упрощены до нескольких десятков, которые компьютер может отслеживать на каждом шаге.

Работает на: около 10¹⁶ FLOPS приблизительно большой кластер, дни на полный цикл двигателя.С: 1955 первые численные решения уравнений ламинарного пламени.

Коллоиды и сборка наночастиц

Тысячи наночастиц или коллоидных зёрен движутся под действием тепловых флуктуаций окружающей жидкости, прилипая, упорядочиваясь или собираясь в агрегаты при столкновениях.

Вопрос, на который отвечает: Самособерутся ли эти частицы в упорядоченную структуру или соберутся в беспорядочный агрегат?

Не учитывает: Детали поверхностного покрытия частицы сильно влияют на исход и обычно сводятся к одному параметру адгезии.

Работает на: около 10¹³ FLOPS приблизительно рабочая станция или видеокарта настольного компьютера, часы на один запуск сборки.С: 1986 первые симуляции броуновской динамики коллоидных частиц в суспензии.

Образование стекла

Жидкость в симуляции охлаждают так быстро, что её молекулы застревают в неупорядоченном твёрдом теле, не успев кристаллизоваться.

Вопрос, на который отвечает: Почему эта жидкость замерзает в неупорядоченное стекло, а не в упорядоченный кристалл?

Не учитывает: Смоделированное охлаждение всегда намного быстрее, чем когда-либо охлаждали любое настоящее стекло, на много порядков.

Работает на: около 10¹⁴ FLOPS приблизительно видеокарта настольного компьютера или небольшой кластер, от часов до дней на запуск.С: 1976 первые симуляции молекулярной динамики жидкости, закалённой в стекло.

Расплавленные соли и ионные жидкости

Ионы, а не нейтральные молекулы, взаимодействуют сильными кулоновскими силами в жидкости вообще без растворителя.

Вопрос, на который отвечает: Насколько хорошо эта жидкость проводит заряд и как движутся её ионы?

Не учитывает: Сильные электростатические силы между ионами труднее уловить в силовом поле, чем силы нейтральных молекул, и их часто лишь приближают.

Работает на: около 10¹⁴ FLOPS приблизительно видеокарта настольного компьютера или небольшой кластер, часы на каждую изучаемую жидкость.С: 1983 первые симуляции молекулярной динамики расплавленной соли.

Динамика на реактивных силовых полях

Молекулярная динамика с потенциалами порядка связи, позволяющими связям образовываться и рваться в ходе расчёта, при куда меньших затратах, чем квантовые методы.

Вопрос, на который отвечает: Как рвутся и образуются связи в тысячах атомов за наносекунды?

Не учитывает: Параметры подгоняют под каждую химию, а электроны явно не учитываются.

Работает на: около 10¹⁶ FLOPS приблизительно Миллионы атомов на наносекундыС: 2001 ReaxFF: a reactive force field for hydrocarbons (2001) источник

Метадинамика и усиленная выборка

Молекулярная динамика, в которой смещение, зависящее от истории, выталкивает систему из локальных минимумов, чтобы нанести на карту редкие события и поверхности свободной энергии.

Вопрос, на который отвечает: Какой высоты барьеры между состояниями, которые обычная динамика никогда не пересекает?

Не учитывает: Результат зависит от выбора хороших коллективных переменных.

Работает на: около 10¹⁷ FLOPS приблизительно Много смещённых траекторий по нескольким выбранным переменнымС: 2002 Escaping free-energy minima (2002) источник

Обученные сэмплеры равновесия

Генеративную сеть обучают получать независимые конфигурации молекул из распределения Больцмана, избегая долгих траекторий.

Вопрос, на который отвечает: Можно ли выбирать редкие состояния молекулы напрямую, а не ждать их?

Не учитывает: Динамика и кинетика теряются, а обучение для больших систем трудно.

Работает на: около 10¹⁶ FLOPS приблизительно Обучение и перевзвешиваниеС: 2018 Boltzmann Generators: sampling equilibrium states of many-body systems with deep learning (2018) источник

Кинетический метод Монте-Карло

Атомы перескакивают по поверхности или в кристалле случайным образом с вероятностями, заданными их скоростями, так что достигаются процессы, длящиеся секунды или часы.

Вопрос, на который отвечает: Как меняются поверхность или кристалл за долгое время между прыжками атомов?

Не учитывает: Каждое возможное событие и его скорость нужно перечислить заранее, поэтому неожиданные механизмы упускаются.

Работает на: около 10¹¹ FLOPS приблизительно миллионы событий со скоростями, заранее посчитанными из первых принципов.С: 1975 Событийно-управляемый алгоритм Монте-Карло Борца, Калоса и Лебовица для спиновых систем Изинга. источник

Крупнозернистая молекулярная динамика

Группы из нескольких атомов объединены в одну бусину. Так можно следить за мембранами, полимерами и самособирающимися липидами в течение микросекунд и в более крупных ячейках.

Вопрос, на который отвечает: Как за микросекунды образуются большие молекулярные комплексы?

Не учитывает: Объединение атомов отбрасывает детали, например направленность водородных связей, а время не строго физическое.

Работает на: около 10¹⁶ FLOPS приблизительно миллионы бусин на микросекунды.С: 2007 Крупнозернистое силовое поле для биомолекулярных симуляций, Marrink и коллеги. источник

Диссипативная динамика частиц

Мягкие шарики, заменяющие сгустки жидкости, взаимодействуют через трение и случайные толчки; это даёт верную гидродинамику полимеров и коллоидов на больших масштабах.

Вопрос, на который отвечает: Как текут и самоорганизуются жидкости с полимерами и поверхностно-активными веществами на мезоскопических масштабах?

Не учитывает: Мягкие потенциалы позволяют цепям нефизично пересекаться, если не вводить поправку.

Работает на: около 10¹⁴ FLOPS приблизительно миллионы бусин на долгое время.С: 1992 Симуляция микроскопических гидродинамических явлений методом диссипативной динамики частиц, Hoogerbrugge и Koelman. источник

Методы свободной энергии с усиленным сэмплированием

Симуляции, подталкиваемые к преодолению высоких барьеров, например с добавлением смещения, зависящего от истории, чтобы можно было вычислить редкие события и ландшафты свободной энергии.

Вопрос, на который отвечает: Сколько свободной энергии стоит редкое изменение, например зародышеобразование или связывание?

Не учитывает: Ответ зависит от выбора коллективных переменных, а пропущенная даёт неверный ландшафт.

Работает на: около 10¹⁶ FLOPS приблизительно долгие смещённые расчёты вдоль выбранных переменных.С: 2002 Выход из минимумов свободной энергии методом метадинамики, Laio и Parrinello. источник

Адсорбция в пористых материалах

Молекулы газа случайно вставляют и убирают в модели пористого твёрдого тела, чтобы предсказать, сколько вещества адсорбирует цеолит или каркасный материал.

Вопрос, на который отвечает: Сколько газа удерживает пористый материал при заданном давлении?

Не учитывает: Приближения жёсткого каркаса и фиксированного заряда неверно оценивают гибкие материалы.

Работает на: около 10¹³ FLOPS приблизительно миллионы вставок на точку состояния, тысячи структур.С: 1975 Метод Монте-Карло Адамса для большого канонического ансамбля жидкости Леннард-Джонса. источник

Самосогласованная теория поля для полимеров

Цепи заменены полем плотности, которое чувствует собственное среднее притяжение; так для блок-сополимеров и смесей можно найти упорядоченные узоры, не отслеживая отдельные цепи.

Вопрос, на который отвечает: В какой узор самособерётся блок-сополимер?

Не учитывает: Теория среднего поля игнорирует флуктуации, а они важны вблизи границ фаз.

Работает на: около 10¹² FLOPS приблизительно решение уравнений диффузии на трёхмерной сетке.С: 1965 Статистическая механика полимеров с исключённым объёмом Эдвардса. источник

Метод Монте-Карло с ростом цепи для полимеров

Длинные молекулярные цепи строятся по одной связи за раз с весами, чтобы измерить их размер, энтропию и поведение исключённого объёма.

Вопрос, на который отвечает: Каков размер длинной гибкой цепочки и почему она не пересекает саму себя?

Не учитывает: Веса растут неравномерно с длиной цепи, поэтому для очень длинных нужны приёмы перевыборки.

Работает на: около 10⁹ FLOPS приблизительно миллионы цепей, намного дешевле динамики.С: 1955 Расчёт среднего растяжения молекулярных цепей методом Монте-Карло, Rosenbluth и Rosenbluth. источник

Магнетизм и фазовые переходы

Спины на решётке переворачиваются случайно, классическая модель Изинга и её потомки, чтобы изучать, как при критической температуре возникает порядок.

Вопрос, на который отвечает: Почему магнит теряет магнетизм ровно при одной температуре?

Не учитывает: У настоящего магнита есть детали формы и примесей, которые идеализированная решётка по построению упускает.

Работает на: около 10¹² FLOPS приблизительно ноутбук; миллиарды переворотов спинов в секунду.С: 1953 метод Монте-Карло Метрополиса с принятием и отклонением, позднее стандартный инструмент для моделей спинов; в самой статье 1953 года моделировались твёрдые диски источникВ дереве симуляций: Алгоритм Метрополиса

Запустить интерактивную модель

Разрушение и дефекты

Атомы на кончике трещины и дефекты, из-за которых металлы гнутся, а не разлетаются на куски.

Вопрос, на который отвечает: Почему этот материал трескается, а не гнётся?

Не учитывает: Острие трещины шириной всего в несколько атомов всё равно должно заменять трещину, которая проходит через всю балку.

Работает на: около 10¹⁴ FLOPS приблизительно видеокарта настольного компьютера или небольшой кластер, часы на один запуск трещины.С: 1976 Ранняя симуляция молекулярной динамики кончика трещины Эшерста и Гувера.

Микроструктура

Кристаллические зёрна образуются и растут, когда металл затвердевает или проходит термообработку; часто считаются методом фазового поля.

Вопрос, на который отвечает: Какая термообработка даёт самый прочный сплав?

Не учитывает: Границы зёрен считаются гладкими математическими поверхностями, а не теми неровными дефектами, какие бывают на самом деле.

Работает на: около 10¹⁴ FLOPS приблизительно рабочая станция или небольшой кластер, часы на затвердевающий сплав.С: 1991 Ранняя фазовая модель растущей микроструктуры Чена и Хачатуряна.

Зернистые материалы

Песок, зерно, порошки и таблетки как миллионы отдельных частиц, которые сталкиваются и заклинивают.

Вопрос, на который отвечает: Почему силос заклинивает и как начинается лавина?

Не учитывает: Настоящие зёрна шероховатые и неправильные, а смоделированные почти всегда идеализированные шары.

Работает на: около 10¹⁴ FLOPS приблизительно видеокарта настольного компьютера или небольшой кластер, миллионы зёрен одновременно.С: 1979 Первая модель дискретных элементов для зернистых частиц Кандалла и Страка.

Запустить интерактивную модель

Динамика дислокаций

Линейные дефекты, проходящие сквозь решётку кристалла, прослеживаются, пока они движутся, размножаются и запутываются, создавая постоянный изгиб или растяжение.

Вопрос, на который отвечает: Почему этот металл гнётся, а не ломается, и насколько он на самом деле прочен?

Не учитывает: Дислокации считаются чистыми линиями в безупречном кристалле, тогда как настоящие металлы полны других дефектов, с которыми они взаимодействуют.

Работает на: около 10¹⁴ FLOPS приблизительно рабочая станция или небольшой кластер, от часов до дней на запуск.С: 1990 первые симуляции дискретной динамики дислокаций для пластичности кристаллов.

Рост тонких плёнок

Атомы по одному прибывают на поверхность и прилипают, перескакивают или погребают друг друга, пока плёнка нарастает слой за слоем.

Вопрос, на который отвечает: Вырастет ли эта плёнка гладкой или шероховатой и полной дефектов?

Не учитывает: В настоящих камерах осаждения есть загрязнения и неравномерный поток, которых нет в идеализированном потоке атомов.

Работает на: около 10¹³ FLOPS приблизительно рабочая станция; часы на смоделированную плёнку.С: 1966 первые кинетические модели Монте-Карло атомов, прибывающих на растущую поверхность.

Каскады радиационных повреждений в материалах

Быстрый атом врезается в кристалл, и модель прослеживает, как он смещает соседей и оставляет вакансии, чтобы предсказать, как разрушаются облучённые металлы.

Вопрос, на который отвечает: Сколько атомов выбивает из кристалла один удар?

Не учитывает: Затем дефекты эволюционируют годами, намного дольше каскада, и для этого разрыва нужны другие методы.

Работает на: около 10¹³ FLOPS приблизительно миллионы атомов на десятки пикосекунд, повторённые для многих направлений удара.С: 1960 Динамика радиационных повреждений в решётке меди Гибсона, Голанда, Милграма и Винъярда. источник

Кластерное разложение сплавов

Энергию сплава записывают как сумму по небольшим кластерам соседних атомов, чтобы порядок и фазовую диаграмму можно было выборочно исследовать методом Монте-Карло.

Вопрос, на который отвечает: Какие расположения атомов предпочитает сплав и когда он упорядочивается?

Не учитывает: Разложение привязано к заданной решётке и может упустить колебательные и магнитные вклады.

Работает на: около 10¹² FLOPS приблизительно сотни энергий из первых принципов, затем недорогой решёточный Монте-Карло.С: 1984 Обобщённое кластерное описание многокомпонентных систем, Sanchez, Ducastelle и Gratias. источник

Конечно-элементное моделирование кристаллической пластичности

Зёрна металла деформируются сдвигом по определённым кристаллическим плоскостям с учётом их ориентаций, чтобы предсказать прочность, текстуру и поведение при формовке.

Вопрос, на который отвечает: Как ориентация кристаллов определяет, как гнётся и упрочняется металл?

Не учитывает: Законы упрочнения подогнаны под испытания и не помнят отдельных дислокаций.

Работает на: около 10¹² FLOPS приблизительно конечно-элементные модели тысяч зёрен.С: 1982 Анализ неоднородной и локализованной деформации в пластичных монокристаллах, Peirce, Asaro и Needleman. источник

Микромагнитная симуляция

Направление намагниченности в магните, разбитое на ячейки, с обменом, анизотропией и полями рассеяния, чтобы проследить, как образуются и переключаются домены.

Вопрос, на который отвечает: Как переключается намагниченность наномагнита?

Не учитывает: Температура учитывается грубо, а ячейки крупнее обменной длины теряют детали.

Работает на: около 10¹² FLOPS приблизительно конечно-разностные расчёты с миллионами ячеек.С: 1988 Трёхмерное микромагнитное исследование процессов намагничивания в ферромагнитных кубах, Schabes и Bertram. источник

Перенос заряда в органических полупроводниках

Электроны или дырки перескакивают между неупорядоченными молекулами; случайные блуждания симулируют, чтобы предсказать подвижность в пластиковой электронике.

Вопрос, на который отвечает: Как быстро заряды движутся в неупорядоченном органическом материале?

Не учитывает: Скорости перескоков заданы в предполагаемом виде, а морфология идеализирована.

Работает на: около 10¹¹ FLOPS приблизительно Прыжки Монте-Карло на больших решётках.С: 1993 Метод Монте-Карло Бесслера для переноса заряда в неупорядоченных органических фотопроводниках. источник

Расчёт решёточной теплопроводности

Тепло, которое переносят колебания решётки. Скорости их рассеяния берутся из первых принципов, чтобы предсказать теплопроводность кристалла без подгонки.

Вопрос, на который отвечает: Насколько хорошо кристалл проводит тепло, если исходить только из атомов?

Не учитывает: Сильно ангармонические и неупорядоченные материалы требуют дополнительной обработки.

Работает на: около 10¹⁵ FLOPS приблизительно тысячи расчётов сил в суперъячейке.С: 2007 Решёточная теплопроводность полупроводников из первых принципов Брайдо, Малорни, Бирнера, Минго и Стюарта. источник

Агрегация, ограниченная диффузией

Частицы случайно блуждают, пока не прилипнут к растущему кластеру. Получаются ветвящиеся фракталы вроде дендритов и минеральных отложений.

Вопрос, на который отвечает: Почему случайные блуждающие частицы растут в ветвящиеся фрактальные кластеры?

Не учитывает: Она моделирует только одно идеализированное правило роста, без поверхностной энергии и химии.

Работает на: около 10⁸ FLOPS приблизительно миллионы блуждающих частиц на решётке.С: 1981 Агрегация с ограниченной диффузией Уиттена и Сандера, кинетическое критическое явление. источник

Генеративные модели кристаллов

Диффузионная или вариационная модель, обученная на известных кристаллах, предлагает новые периодические структуры, которые затем проверяют и релаксируют квантово-механическими расчётами.

Вопрос, на который отвечает: Может ли модель придумывать устойчивые новые материалы, а не отсеивать известные?

Не учитывает: Большинство предложенных структур неустойчивы или неосуществимы, а модель не знает, как синтезировать ни одну из них.

Работает на: около 10¹⁸ FLOPS приблизительно недели обучения на GPU, затем конвейер проверок электронной структуры.С: 2021 Вариационный автокодировщик диффузии кристаллов для создания периодических материалов, Се с коллегами. источник

Катализ

Реагирующая молекула прилипает к поверхности катализатора; расчёт идёт шаг за шагом, чтобы найти путь, снижающий энергию, нужную для реакции.

Вопрос, на который отвечает: Какая поверхность и какое расположение атомов на ней сильнее всего ускоряют эту реакцию?

Не учитывает: У настоящих катализаторов есть дефекты, яды и старение, с которыми не приходится иметь дело чистой идеальной поверхности модели.

Работает на: около 10¹⁵ FLOPS приблизительно университетский кластер, дни на каждую поверхность катализатора-кандидата.С: 1995 первые квантовые расчёты, прокладывающие путь реакции по поверхности катализатора.

Моделирование аккумуляторов и электрохимических ячеек

Целый аккумулятор или топливный элемент, его электроды, электролит и границы раздела моделируются вместе: заряд, разряд и нагрев на протяжении многих циклов.

Вопрос, на который отвечает: Сколько циклов выдержит эта ячейка до деградации и насколько она нагреется?

Не учитывает: Деградация за годы настоящего использования по-прежнему в основном экстраполируется по коротким ускоренным испытаниям, а не моделируется напрямую.

Работает на: около 10¹⁴ FLOPS приблизительно рабочая станция или небольшой кластер, часы на смоделированное циклическое испытание.С: 1975 первые математические модели заряда и разряда электрода аккумулятора.

Коррозия

Металлическая поверхность теряет атомы из-за электрохимической реакции со средой; модель следит, как она покрывается язвами, истончается или образует защитный слой.

Вопрос, на который отвечает: Сколько прослужит этот металл, пока не прокорродирует насквозь?

Не учитывает: Настоящая коррозия сильно зависит от местного загрязнения, царапин на поверхности и блуждающих токов, которых идеальная модель не учитывает.

Работает на: около 10¹³ FLOPS приблизительно рабочая станция; часы на сценарий коррозии.С: 1970 первые компьютерные модели питтинга и электрохимической коррозии.

Кристаллизация

Молекулы или ионы в пересыщенном растворе находят друг друга и встраиваются в растущую кристаллическую решётку. Так предсказывают, как вещество будет кристаллизоваться.

Вопрос, на который отвечает: Какую форму и размер кристаллов на самом деле даст этот процесс?

Не учитывает: Нуклеация, образование самого первого кластера, происходит в масштабе и с быстротой, которые по-прежнему слишком малы и стремительны, чтобы их наблюдать или полностью считать напрямую.

Работает на: около 10¹³ FLOPS приблизительно рабочая станция или небольшой кластер, часы на смоделированную партию.С: 1988 первые вычисленные модели зарождения и роста из пересыщенного раствора.

Проектирование химических реакторов

Течение жидкости, перемешивание, тепло и сотни стадий реакции внутри промышленного сосуда моделируются вместе, чтобы предсказать, сколько продукта получится.

Вопрос, на который отвечает: Достаточно ли быстро этот проект реактора перемешивает и охлаждает, чтобы получить чистую безопасную реакцию?

Не учитывает: При переходе от небольшого испытательного реактора к промышленному точность по-прежнему теряется, и инженеры поправляют это по опыту.

Работает на: около 10¹⁵ FLOPS приблизительно университетский или промышленный кластер, дни на изучаемый проект.С: 1970 первые модели вычислительной гидродинамики промышленного химического реактора.

Кинетика полимеризации

Малые молекулы соединяются шаг за шагом в длинные цепи; за этим следят, чтобы предсказать, насколько длинными они вырастут и насколько однородными получатся.

Вопрос, на который отвечает: Какой длины будут полимерные цепи и насколько это будет варьироваться?

Не учитывает: Побочные реакции, которые ветвят цепи или рано их обрывают, обычно упрощают до нескольких средних скоростей.

Работает на: около 10¹² FLOPS приблизительно ноутбук; полная пакетная симуляция занимает минуты.С: 1968 первые вычисленные кинетические модели цепной полимеризации.

Моделирование мембран и переноса в топливных элементах

Вода, протоны и газ движутся сквозь мембрану и электроды топливного элемента, чтобы предсказать производительность и когда он высохнет или затопится.

Вопрос, на который отвечает: Как вода и заряд движутся через мембрану топливного элемента?

Не учитывает: Мембранный транспорт опирается на подогнанные законы, а жидкую воду в порах трудно моделировать.

Работает на: около 10¹⁰ FLOPS приблизительно двух- или трёхмерные модели клеток, легко на рабочей станции.С: 1991 Модель полимерно-электролитного топливного элемента Спрингера, Завадзинского и Готтесфельда. источник

Моделирование сетей пор

Пористую породу или электрод сводят к сети пор и перемычек, через которые шаг за шагом проникает жидкость, чтобы предсказать течение и капиллярное поведение.

Вопрос, на который отвечает: Как жидкость заполняет пористый материал и движется в нём?

Не учитывает: Форма настоящих пор упрощена до трубок и шаров.

Работает на: около 10¹⁰ FLOPS приблизительно сети до миллионов пор, дёшево по сравнению с прямым расчётом течения.С: 1956 Сетевая модель пористой среды Фатта. источник