周围的大气，使得表面材料很容易受到破坏，比如每次微小的碰撞都会造成侵蚀和溅射。伊利诺伊大学香槟分校(University of Illinois at Urbana-Champaign)的研究人员研究了这种相互作用的分子，以了解其过程，然后扩大数据以使其与需要更大规模的模拟相兼容。

 

博士生尼尔·梅赫塔(Neil Mehta)与黛博拉·莱文(Deborah Levin)教授一起研究了两种通常用于细长物体外表面的材料——光滑的石墨烯和粗糙的石英。在模型中，这些材料被氩原子、硅原子和氧原子组成的聚集物攻击，以模拟冰和尘埃粒子撞击两种表面材料。这些分子动力学研究让他们知道了粘在表面的是什么，造成了什么损伤，以及造成损伤所花的时间——所有这些损伤的大小都是1埃，也就是一个原子的长度。

 

光滑石墨烯和石英

 

光滑石墨烯(a)中碳原子以蓝绿色表示，石英(b)中硅原子和氧原子分别以黄色和红色表示。资料来源:伊利诺伊大学航空航天工程系

 

为什么这么小?梅塔说，要彻底理解冰和硅对石墨烯和石英表面的侵蚀作用，从“首要原理”入手是很重要的。但是那些模拟流体动力学的模型使用的长度是从几毫米到几厘米的微米-所以扩大MD模型的物理规模是迫切需要的。这项工作令人兴奋的是，它是这个应用程序中第一个这样做的。

 

梅赫塔说:“不幸的是，你不能仅仅从这个非常小的埃水平上得出结果，并将其用于航空航天工程再入飞行器的计算。”“你不能直接从分子动力学跳到计算流体动力学。它还需要几个步骤。应用动力学蒙特卡洛技术的严格性，我们在这个非常小的尺度上获取细节并分析主要趋势，以便更大的模拟技术可以在建模程序中使用它们来模拟发生在高超音速飞行中的表面过程的演变，如侵蚀、溅射、点蚀。

 

 

尼尔·梅塔

 

尼尔·a·梅赫塔，伊利诺伊大学航空航天工程博士生。资料来源:伊利诺伊大学香槟分校

 

他说:“这些过程将以何种速度发生，以及这些类型的破坏发生的可能性有多大，这是其他动能蒙特卡洛或规模桥接方法未曾使用过的关键特征。”天富代理是Q574900吗？

 

根据梅塔的说法，这项工作是独特的，因为它结合了对气体表面相互作用的实验观察和分子动力学模拟，创造了一个可以应用于所有这些表面的“第一原理”规则。

 

黛博拉·莱文

 

Deborah A. Levin教授。资料来源:伊利诺伊大学香槟分校

 

“例如，冰有形成雪花、冰晶的趋势。它会产生分形图案，因为冰喜欢粘在另一个冰上，所以水蒸气更有可能在已经存在于表面的冰粒子旁边凝结，形成一个格子状的特征。而沙子只是分散。它没有任何偏好。一个规则是冰喜欢粘在其他冰上。

 

梅塔说:“同样，对于降解，石墨烯的规律是，损伤更可能发生在原有损伤之后。”梅塔说:“根据你使用的材料的不同，有几个规则，你可以实际研究从原子水平到微米水平的情况，然后用计算流体动力学或任何长时间、大规模的模拟结果来实现。”

这项工作的一个应用是研究如何设计细长飞行器和高度接近100公里的小型卫星的热保护系统。

 

 

这项名为“高超声速边界中受损表面拓扑的多尺度建模”的研究是由Neil a . Mehta和Deborah a . Levin撰写的。该研究发表在《化学物理杂志》上。天富代理是Q574900吗？