Направления Укрепления Sandia s перевод

Сандиа ДОКЛАД
SAND2004-0155
Неограниченный релиз
Напечатан  январь 2004

Направления Укрепления Sandia's
Возможностей в Многомасштабном
Материала моделировании и расчётах

John Aidun, J. Charles Barbour, E.P. Chen, H.Eliot Fang, Henry Westrich
Prepared by
Sandia National Laboratories
Albuquerque, New Mexico 87185 and Livermore, California 94550
Sandia is a multiprogram laboratory operated by Sandia Corporation,
a Lockheed Martin Company, for the United States Department of Energy’s
National Nuclear Security Administration under Contract DE-AC04-94AL85000.
Approved for public release; further dissemination unlimited.
Джон Эйдан, Дж. Чарльз Барбор, Е.П. Чен, Г. Элиот Fang, Генри Вестрич
Подготовлено
Sandia National Laboratories
Альбукерке, Нью-Мексико и 87185 Ливермор, Калифорния 94550
Sandia многопрограммная лаборатория управляется корпорацией Sandia,
Компания Lockheed Martin, для Соединенных Штатов Министерства энергетики
Национальная администрация по ядерной безопасности по контракту DE-AC04-94AL85000.


Одобрено для публичного релиза; дальнейшее распространение ограничено.


 Произведено  Sandia National Laboratories, Sandia Corporation управляет для Департамента энергетики США
.
ВНИМАНИЕ: Этот доклад был подготовлен как отчет о работе, которая оплачена агентством
Правительства Соединенных Штатов. Ни правительство Соединенных Штатов, ни его агентство, ни какие-либо своих сотрудников, ни их подрядчики, субподрядчики, или их сотрудников, не дают никакой гарантии,
явной или подразумеваемой, и не несет никакой юридической ответственности или ответственности за точность, полноту, или полезность любой информации, аппарата, продукта или процесса, раскрытых, или представлять, что их использование не нарушает частные права. Здесь в качестве ссылки на какие-либо конкретные коммерческий продукт, процесс или услугу, на фирменное наименование, товарный знак, производителя, или иным образом, не обязательно представляют собой и не подразумевает его одобрение, рекомендации или пользу от правительства Соединенных Штатов, любые агентства его, или любой из их подрядчиков или субподрядчиков. Взгляды и мнения в настоящем документе, не обязательно государственные или отражают точку зрения правительства Соединенных Штатов, любое агентство их, или любой из их подрядчиков.
Напечатано в Соединенных Штатах Америки. Этот отчет был воспроизведен непосредственно из наилучшей имеющейся копии. Доступно для Министерства энергетики и Министерства энергетики подрядчиков
 С.Ш. Департамент энергетики Управление научной и технической информации
Денежный перевод Box 62
Ок-Ридж, Теннесси 37831
Телефон: (865) 576-8401
Факс: (865) 576-5728
E-Mail: reports@adonis.osti.gov
Интернет заказа: http://www.doe.gov/bridge
Доступные для общественности с
У. С. Департамент торговли
Национальной службы технической информации
5285 Port Royal Rd
Springfield, VA 22161
Телефон: (800) 553-6847
Факс: (703) 605-6900
E-Mail: orders@ntis.fedworld.gov
Онлайн-заказ: http://www.ntis.gov/help/ordermethods.asp?loc=7-4-0 # онлайн
Available to DOE and DOE contractors from
U.S. Department of Energy
Office of Scientific and Technical Information
P.O. Box 62
Oak Ridge, TN 37831
Telephone: (865)576-8401
Facsimile: (865)576-5728
E-Mail: reports@adonis.osti.gov
Online ordering: http://www.doe.gov/bridge
Available to the public from
U.S. Department of Commerce
National Technical Information Service
5285 Port Royal Rd
Springfield, VA 22161
Telephone: (800)553-6847
Facsimile: (703)605-6900
E-Mail: orders@ntis.fedworld.gov
Online order: http://www.ntis.gov/help/ordermethods.asp?loc=7-4-0#online
2
SAND2004-0155
Неограниченный релиз
Напечатано январь 2004

Главы Расширения Возможностей Сандиа в Многомасштабных Материала Моделировании и Симуляции

John Aidun
Computational Materials & Molecular Biology
J. Charles Barbour
Nanostructure and Semiconductor Physics
Er-Ping Chen
Science-Based Materials Modeling
H. Eliot Fang
Material and Process Modeling
Henry Westrich
Laboratory Directed Research and Development
Sandia National Laboratories
P.O. Box 5800
Albuquerque, NM 87185-0316

Джон Эйдан
Вычислительные материалы и молекулярная биология
Дж. Чарльз Барбор
Наноструктур и физики полупроводников
Эр-Пинг Чен
Наука материалов на основе моделирования
H. Элиот Fang
Материал и моделирование процессов
Генри Westrich
Лабораторные руководимые исследования и разработоки
Sandia National Laboratories
Денежный перевод Box 5800
Альбукерке, NM 87185-0316
Аннотация:


Мы сообщаем наши выводы в поддержку FY 2003 Науки и технологии Milestone
ST03-3.5. Цель этапа заключалась в разработке плана исследований для расширения
Сандиа способностей в материалах моделирования и симуляции. Из запросов и обсуждения с техническим персоналом в 2003 финансовом году мы заключаем, что это преждевременно формулировать предварительный скоординированный план исследований. Более подходящая цель заключается в разработке множества вычислительных средств для создания масштабного перехода и накапливать опыт с применением этих инструментов для реальных тестов таких как подготовить нас к атаке каждой новой проблеме с высшей уверенностью в успехе.
3
Признание
Авторы благодарят всех технических сотрудников, которые приняли участие в серии семинаров и занимался с нами в обсуждениях. JBA благодарит Тимоти Tракано за повторные ценные вклады и поддержку. JBA также благодарит Питер Шульц, Марк Стивенс, Виина Тикар и Джон Циммерман за предоставление расширенные комментарии.
4
Содержание
Введение .... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 6
Обзор .... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 6
Обсуждение. ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .. 8
Будущие направления ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 12
Список литературы ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 0,14
Приложение А. А. модель технических совещаний и симпозиумов по Материалу Многомасштаба
M & S ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 15
Приложение Б-Новые технических журналы, посвященных Многомасштабам M & S ... ... .... ... ... .. 16
Приложение C-сложных материалов форума (CMF) семинары по проектам Сандиа заинтересованных
в многомасштабных материалов M & S методов развития .... ... ... ... ... .. 17
Приложение D- План Программы... Посетителей Проекта... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .... ... ... 23
5
Главы Расширения Возможностей Сандиа в Многомасштабных Материала Моделировании и Симуляции
Введение

Авторы предварительного расследования с техническим персоналом в финансовом году (FY) '02 в необходимости и cтатуса возможности в Sandia для множественного масштаба материалов моделирования и симуляции привело к нашему настоящему, предложено провести следующие науки и техники (S & T) этапы на темы в финансовом '03:
Развить скоординированный план исследования, включая необходимое партнерство, для развитых вычислительных и теоретических методов для увязки квантовой электроники и атомистического моделирования к дискретным или континуума мезомасштабных систем, в целях расширения и укрепления возможностей Sandia's в материалах моделирования и симуляции. Этот этап будет представлять собой важным шагом в сторону большей дальности цели связать квантую, атомистическую, и грубо-зерновую мезомасштабную симуляцию для континуума конституционной модели.


Обзор
Множественной длины и временного масштаба ("многомасштабные") численное моделирование для науки и техники это идея, время которой пришло. . . и ушло. За последнее десятилетие было широко обсуждено и испытано по-разному многими исследовательскими группами, но с ограниченным фундаментальным прогрессом. Около десяти лет назад Отдел исследований материалов на NSF и Управление основной энергии наук DOE финансируемых программ, которые подчеркнули связь длины масштаба. Из-за сложности и широкого круга проблем, научное сообщество непреднамеренно перепродало перспективы для достижения прогресса в развитые многомасштабные материала моделирования и симулирования (ММ & S) методы. Один результатом этого является то, что в настоящее время недостаток для обсуждения М. & S при взаимодействии с этого сегмента NSF или BES.
Мы пришли к следующим выводам, которые мы обсудим в дальнейшем из этого доклада: 1. Существует растущая потребность в MM & S для материалов, мы стремимся понять и контролировать поведение более сложных материалов. Оно привлекательно для включения более высокой точности, интегрированные инженерные симуляции, которые необходимы во многих программах Сандиа, но в настоящее время не возможны. 2. Существует ни одно решение или подход для преодоления между всеми масштабами длины и времени, ни даже для преодоления между любой парой соседних масштабов. Решения материала- и  приложений- специфичны. 3. Сандиа, и сообществу материала исследований в целом, необходимо будет разработать коллекцию инструментов, и опыт их использования, для атаки различных классов многомасштабных проблемы.
4. Инструмент развития многомасштаба материала M & S лучше осуществлять в контексте текущих
проблем- управляемых работ.
5. Фундаментальные вопросы -физики проблемы, а не информатики
6. Оно в настоящее время осуществимо для моста только между двумя "соседними" длины или времени масштабами в данном многомасштабном методе, но даже это может быть весьма выдающимся.
7. Формально приглашенного ученого программы, в отредактированном виде, не апеллирует. Но некоторые формы посетителей программа будет приветствовать и полезна для продвижения MM & S возможностей в SNL.
8. Шестнадцать Федеральных агентств или отделов теперь должны активировать нанонауки и / или нанотехнологии программы, которые являются частью Национальной Нанонауки Инициативы
(Http://www.nano.gov/start.htm). Это мощные стимулы для развития многомасштабных материал M & S возможностей.


Обсуждение
Здесь мы расширяем  выводы приведеные выше.
1. Существует растущая потребность в MM & S для материалов, мы стремимся понять и контролировать поведение более сложных материалов. Это привлекательно для включения более высокой точности, интегрированных инженерных симуляций, которые необходимы во многих программах Сандиа, но обычно не возможны.
 
Материала поведение определено коллективным, скоординированным действием явления связанным с каждым масштабом неоднородности материала. Общие неоднородности материала включают атомистическую дискретность, дефекты упругости или другие структурные изменения, субзерен области, границы зерен, многих фаз, микро-трещин, и поверхностей и интерфейсов (a.k.a. "границы"). Когда явления связаны, как правило, приходится прибегать к какому-либо методу прямого численного моделирования (DNS), чтобы исследовать и понять отклик. Когда связанное явление продуцирует разного времени отклик или в различных масштабах длины, DNS требует метод многих шкал. Даже для несвязанных или слабо связанных явлений, с ростом числа типов неоднородности становится все более трудно предсказать общую реакцию материала без использования метода многих шкал из DNS.
Экстремальные машины, которые являются отличительной чертой работы Сандиа, требуют понимания и контроля свойств и поведения материалов. Взятые в полной общности, целью является, по сути,  быть в состоянии разработать основные материалы в каждом приложении. Управление свойствами материала, в свою очередь, требует понимания и контроля обработки, которая определяет многие аспекты характеристики материала. М.M & S является привлекательным для обеспечения высокой точности, интегрированные симуляции, которые необходимы и осуществляются в материалах ASCI и физических моделей (M & PM) проекты, как: коррозия; ударной активированного электроэнергии с сегнетоэлектриков; излучения
эффекты в ИС; конкурентной адсорбции в сорбенте цеолите (sorbants); границы зерна эволюции микро частей; термо-механической усталости паяных соединений.Она привлекательна и для S & T проектов
с использованием численного моделирования для исследования структуры и функции биомолекул, биологической функции клеток, интегрированной нанотехнологии, и наножидкости (nanofluidics). Действительно, М. М. & S является привлекательным для понимания сложных материалов, а также для более точное управление "общих" материалов, например, металлических сплавов или кварцевого стекла. Достижение подробного контроля за поведением материала заставляет нас рассмотреть общие материалы подробнее и в новых режимах отклик с результатом, что даже обычные материалы начинают выгдядеть более и более сложными. 8
Существуют три основных типа приложений, для которых М. & S предлагает позволить существенно больше возможностей: понимание сложного поведения материала; захвата суб-сети масштаба физики моделирования среды; руководство дизайном и интерпретации ускоренного старения испытаний. 
2. Существует не одно решение или подход для преодоления между всеми масштабами длины и времени, ни даже для преодоления между любой парой соседних масштабов. Решения материала- и  приложения- специфичны.
Особенная проблема симулирования связанных явлений материала совершить переход между масштабами. Переход к более грубым масштабам должен захватить доминирующие аспекты физических процессов, но не более. Делать это не инженерный или алгоритмов вопрос.Это науки вопрос: Какие усреднения мы можем сделать, чтобы удалить многих неважные степени свободы - неинтересные детали - остаться только с важными степенями свободы на грубом масштабе? Следовательно, М. М. & S проектам необходимо сосредоточиться на развитии науки решений ссылок. Возможности, необходимые для процедур различных типов переходов, в том числе (i) дискретный (Атомистическая) для термомеханического континуума; (II) квантовый для классического, (III) детерминированных для статистического.
3. Сандиа, и сообществу материала исследований в целом, необходимо будет разработать набор инструментов, и опыт их использования, для атаки различных классов многомасштабных проблем.
Многомасштабная материалы M & S влечет за собой мульти- физику моделирование особенным способом. Успешные масштаба преодоления методы вероятно будут междисциплинарные подходы,  которые пересекают организационные границы. Жизнеспособности связи метод весьма конкретных местных условий, зависим от деталей материальных явлений участвующих (внутренние факторы) и от целей предполагаемого применения (внешние факторы). Это требует, чтоб мы развивали набор методов для решений переходов в материале симулирования и достаточного ноу-хау, чтобы мы могли быть уверены, быть в состоянии решать наших будущих конструкционных материалов проблемы с высоким доверием на успех.
4. Инструмент развития многомасштабного материала M & S лучше осуществлять в контексте продолжающиейся проблем- управляемой работы.
Развитие связи методы могут быть лучше всего вписывается в текущие прикладных научно-исследовательских программ в Sandia, если это делается в ходе проблема управляемых работы, а не как отдельные проекты, направленные на развитие вычислительных средств. Сильной связи инструмента развития с применением и решения проблем также является выгодным для получения самой надежной и соответствующих методов моделирования. При осуществлении этого курса мы признаем важностьподдержания жизненно важных обмена между многомасштабные моделирования и эксперимента. В самом деле, через итерационные обмена между эксперимента, теории и моделирования, что мы можем надеяться в определении и реализации практических лечения необходимо физики.
5. Фундаментальные вопросы это физики проблемы, а не информатики.

Имитация моли атомов бы использовалось, некоторые дополнительные возможности по сравнению с нынешним, но она не будет выполнять цель быть в состоянии проектных материалов. Подход, необходимый для моделировать различные физические явления, связанные является реализация интеллектуальных связи между моделями, которые действуют в соседних масштабах. Даже с М. & S возможности в стороны, каждое расследование будет по-прежнему необходимо для решения Основные вопросы, которые также проблемы конкретных: В каких режимах одномасштабных физике доминирующей? Когда границы важно? Когда вы делаете оперативной приближений , чтобы получить работу? Когда вы должны быть внимательны к фундаментальной физике?  Что обеспечивает доверие к симуляции? 
6. В настоящее время возможен мост только между двумя "соседними" длины или времени масштабами в данном методе многих масштабов, но даже это может быть весьма прогрессивно.
Выполнение данного материала в конкретном приложении определяется материал явлений, которые способствуют наиболее значительно в общей реакции материала. Мы будем называть это множество влиятельных материальных процессов "доминирующего явления." Эти явления могут ставится в последовательности отсортированы по величине характерные размеры и время их операции. По "соседних масштабов" мы имеем в виду связанных явлений, которые являются смежными в последовательности доминирующего явления для данного материала и приложения. Характеристика Размер материального процесса обычно соответствует характерный размер типа неоднородности. Существует не соответствующее соотношение между характерным временем фундаментальных материальный процесс, и что из связанных с неоднородностью процесс может развиваться в электронных, акустических, химических / диффузионной скоростью.
В качестве примера, в бесконечной однородной системы, такие как однородной жидкости или идеал совершенных монокристаллов, атомных движений и сплошной упругой ответа на соседних масштабах. Для таких систем статистической теории механики успешно аналитического решений  Переход между явлением на атомистической масштаба и макроскопических континуума масштабе. Однако, добавление любого гетерогенности в системе в этом классе, который обязательно будет промежуточных масштабах, полностью меняет ситуацию. Промежуточных неоднородности масштаба  значительно усложняет касающиеся атомистических процессов макроскопического поведения. Это требует, чтобы, возможно, несколько дополнительных явлений, связанных с добавил неоднородности  лечиться. И это требует последовательно связи между поведением и макроскопических промежуточных явлений масштаба, а затем между ним и атомистического масштаб явления. 
Характеристика текущих возможностей для ММ & S, как внутри, так и за ее пределами Сандиа, является, что мало что получила от моста между более чем двумя масштабах; кратчайшее время отклика обычно намного меньше, чем время реакции до двух шкал, что процессы, происходящие в Вторая шкала грубее не развиваться во время достижимый продолжительность многомасштабные моделирования. Хотя эта ситуация должна рассматриваться как предостережение, чтобы проблемы развития М. & S методы, это не принципиальное ограничение. Существует много, которые можно получить путем сочетания Материал моделирования попарно на смежные масштабах, но в конечном счете драйверов для MM & S развития является то, что необходимо для приложений, не то, что мы можем успеть сделать. 

Соединение моделирования материальных процессов в соседних шкалы могут служить по крайней мере одна из нескольких целей. Пространственно вложения штрафа моделирования в масштабе грубее масштаба  моделирование может обеспечить желательно граничное условие для моделирования масштаба мельче. Например, правильно надуманный грубого окружающего региона могут быть использованы, чтобы поглотить все акустические колебаний падающего на него из центральных моделирования масштаба тонкие так, что центральная область развивается, как будто он был частью очень большая выборка. Тестирование действия граничных условиях является одной ситуации, в которой сильные взаимодействия между моделирование и эксперимент имеет важное значение для оценки адекватности физики модели. Другая цель совместного моделирования можно использовать моделирование мелком масштабе развиваться характеристик материала 
локально в грубой моделирования масштаба, как происходят изменения в грубой шкале. Третий Цель может заключаться в предоставлении способ сделать достаточно точную обработку коллективного, связанных явлений на материал, имеющий богатый набор ответ режимах. 

7. Формально приглашенного ученого программы, в отредактированном виде, не апеллирует. Но некоторые 
форма программы посетителей будет приветствоваться и полезным для продвижения 
М. & S возможности на SNL. 

Похоже, что программа, как указано (см. Приложение D), был слишком занят в это время. Это будет возмущать усилия технического персонала "исследований, но не обязательно достижения желаемых 
цель укрепления связей и взаимодействия между внутренней команды развивающихся многомасштабные Материалы M & S методов, а также между Сандиа и внешних исследователей. Тем не менее, 
сотрудников появились заинтересованные в попытке программы менее структурированные посетителей и ожидать, что желаемого взаимодействия проектных команд и гостей, и, следовательно, среди проектных команд, будут развиваться естественным путем. Таким образом, он остается, представляющих интерес для использовать доступные в рамках существующих программ посетителей в Научно-исследовательском вычислительных наук  Институт (ЦНИИ) и MESA институт, и, возможно, один в центр по комплексному  Нано технологии (CINT), чтобы привести аспирантов и преподавателей посетить Сандиа,  продолжать сотрудничество в MM & S с сотрудниками Sandia. Повторяющиеся, продуктивной посетителей программы 
для продвижения М. & S возможности на SNL необходимо будет разработать поэтапно в течение долгого времени и постоянно 
нуждается в демонстрации своей выгоды для текущей работы проекта. 

8. Шестнадцать Федерального агентства или отделы теперь  активируют нанонауки и / или нанотехнологии программ, которые являются частью Национальной Нанонауки Инициативы (http://www.nano.gov/ start.htm). Это 
мощным стимулом для развития многомасштабных материал M & S возможностей. 

Быстрое развитие экспериментальных исследований на наноуровне создает срочную  необходимо для количественного понимания материи на наноуровне. Отсутствие точной  Модели вновь наблюдается прогресс явления пределы.Новые, надежные вычислительные средства и  моделей для количественного описания структуры и динамики на наноуровне необходимо для  обеспечения быстрого прогресса в nanoscience.1, 2 мм и S к мосту через электронные макроскопических  длины и времени масштабах видное место среди моделирования проблем, возникающих в  нанонауки. Особое области научных исследований, которые требуют MM & S возможности включают в себя: понимание  транспортных механизмов на наноуровне; исследования нано-интерфейсы, которые  сложной и разнородной, и доминировать наноразмерных систем; моделирования наноразмерных оптоэлектронных  устройств; моделирования нано-интерфейсов между жесткой и мягкой материи. Эти наносистем  являются сложными и, хотя и небольшой, большинство из них слишком велики, чтобы быть смоделированы непосредственно с  квантовой теории функционала плотности (DFT). М. & S методы будут необходимы связи квантовых  к классической молекулярной динамики и, пожалуй, к некоторому типу мезомасштабные моделирования для выполнения  моделирование интерес нанонауки. 
11 
DOE центр по комплексному нанотехнологий (CINT), управляемый совместно Сандиа  LANL и, соответственно имеет теория и моделирование в качестве одного из пяти технических thrusts.3  тяги лидеры признают вычислительных задач, возникающих поскольку общая свойств материала  и функции в наносистем, часто контролируются связи структуры и динамики  во многих длину и временных масштабах. Мягкий и биоматериалов настоящее частности проблемы  как их ответов регулируются сложных явлений, в том числе взаимодействия полиэлектролитов,  фазовое поведение, характер и структура формирования на различных масштабов длины и неравновесных  процессов. Аналогичным образом, понимание механические ответы наноструктурных  материалов может потребовать охватывающий от атомного до макроскопических масштабах.  Следовательно, интенсивность научных исследований и разработок в нанонауки, зависимость от  улучшение связанных материал методов моделирования для дальнейшего быстрого прогресса, и Sandia's  возрастающую роль в качестве лидера в нанонауки исследования, в сочетании, сделать его стратегических сосредоточить  М. & S метод развития на конкретные потребности нанонауки. Это будет поддерживать Sandia's  нанонауки R & D, и это даст материалы M & S сообщества в Sandia возможность  продемонстрировать потенциал многомасштабных моделирования материала в сильном поле видимости. 
Будущие направления 
Общим выводом из наших запросов и обсуждения с техническим персоналом в течение прошлого года в том, что это преждевременно пытаться сформулировать "координированных исследований план ", предусмотренный в этапе. Благодаря сложной и недостаточно определенной сущности проблемы, как захваченные в Выводы 2 и 3, не существует единого решения для принятия какого-либо конкретного Переход между двумя шкалами. Более подходящим цель заключается в разработке набора инструментов для решений масштаба переходов и опыте применения этих инструментов в реальных случаях испытания в целях позволит нам нападать друг на новые проблемы с высшим уверенность в успехе.
При этом, здесь перечислены некоторые элементы, которые могут способствовать и содействовать желаемого Возможность в многомасштабные материал M & S. Цель этих для Sandia приобрести возможности  для достижения материальной моделирования, что мы не можем сейчас сделать. Такие многомасштабные Материал M & S будет новый, технически желательно, и заслуживает большей наглядности внутренне и за ее пределами. 
1. Продолжение вычислительного комплекса материалы форума (CMF) способствовать развитию связей и взаимодействия между сотрудниками, занимающимися вопросами MM & S проектов методов развития.
2. Разработка веб-ресурса сайта для многомасштабного материала M & S усилий: 
a. Список многомасштабные проектов; ИП, члены команды проекта; описание проекта; архив из слайдов презентации;
b. Список технических сотрудников, работающих в материалах М &S; их интересов, их опыта; 
c. Список доступных материалов M & S инструменты и программы; контактных пунктов; помощи страниц. 
3. Задействования возможности для привлечения сотрудников в ММ & S в рамках программ в ведении ЦНИИ, MESA институт, и, возможно, CINT. 
4. Поддержание присутствия Сандиа на крупных технических совещаниях с сессиями на ММ & S. 
5. Запуск скоординированной, на широкой основе M & S материалов проекта, возможно, LDRD финансируемый проект, направленный на содействие дальнейшему развитию и М. S методов и , что имеет сильный обмена с экспериментом.
a. Должен быть стратегическим выбор нанонауки фокус для тестового приложения; 
b. Нужно, это установить доверие к М. & S, решая проблемы, которые могли быть
не  сделаны раньше. Тогда такой успех нужно использовать, чтобы получить видимость в Sandia для этих занятий. 
6. Создание повторяющегося семинара для углубления понимания фокуса области Сандиа интересно, которая по своей сути многомасштабна и зависит от моделирования.
Несколько дополнительных замечаний можно сделать относительно запуска скоординированные демонстрации проекта. Из разговоров с техническим персоналом идея выяснилось, что Есть некоторые канонические  проблемы, которые требуют многомасштабные лечения. По замыслу, каждый канонической задачи является представителем класса прикладных задач и отражает существенные физике класса в простейших, наиболее абстрактной форме. Когда канонической задачи могут быть определены она обеспечивает  возможность разработки MM & S метод, который подходит для лечения по крайней мере основные аспекты целого класса прикладных задач. 
Канонические проблемы широкий интерес среди Сандиа технических сотрудников, которые участвовали является то, что от взаимодействия гидратированных ионов на поверхности твердого тела. Это вступление проблемы  для моделирования поверхности реактивность в водной среде. Это внутренне многомасштабные,требующих точности квантовой вблизи поверхности ионов и твердой, но также нуждающихся счет сделал существенный вклад в объем жидкости и твердого тела. 
Что эта проблема захватили широком интерес, в частности, из-за нашего фокусировки первоначально по вычислительной и теоретические методы для преодоления времени и пространственными масштабами от дискретных  квантовой электроники до дискретной или континуума мезомасштабных, и, следовательно, преимущественно привлечения этих технических сотрудников, имеющих опыт и заинтересованность в этих областях, чтобы наш семинар серии. Мы ограничились такого масштаба диапазон, что позволяет обеспечить достаточную общность интересов и вопросов среди различных проектов, чтобы сделать его возможным поощрения взаимодействия и координации  между ними. Кроме того, хотя мост от атомистической в ;;континуум времени и пространственными масштабами  является широкое распространение, долгосрочная цель, это сложная задача, которую мы не предлагаем проводить  в полном объеме в это время. 
Тем не менее, есть во-вторых, хорошо известно каноническое многомасштабные проблема, которая управляет разработкой,  в Sandia и в других местах, методов мост от атомистики в континуум. Это  Проблема разрушения материалов, в которых применяются макроскопически нагрузки передачи стресс трещины, но атомного масштаба события вблизи трещины, в "процессе зоны", регулирующие Эволюция процесса разрушения. Во всем мире эта проблема диски гораздо многомасштабных методы  разработок, связанных с механикой, о чем свидетельствует предстоящий workshop.4 Sandia's давно, на продолжающиеся усилия в понимании разрушения, по мере необходимости, включать в себя разработку  многомасштабных возможностей. Исследователи включают Е.П. (Тони) Чэнь и его сотрудников в отдел 8763, E.D. Риди и протоколист Палаты в 9123 кафедра, и Е.А. Холм и М. Д. Стивенс в Кафедра 1834 года. 

Эти две канонические проблемы отличаются в два интересных ключевых аспектах. Во-первых, разрушение влечет за собой все масштабами а длина шкалы интерес для гидратации ионов распространяются только на 
мезомасштабные кооперативных явлений, которые могут возникнуть в растворителе. Важных временных масштабах на две проблемы, не обязательно очень разные. Во-вторых, хотя перелом может включать 
химической реакции, обычно рассматриваются как чисто механической или термо-механической проблемы.В отличие от гидратации ионов является физико-химические проблемы. 

Желательно, чтобы определить дополнительные канонические проблемы для других классов приложения как материал механических, тепловых поведения, физики поверхности, или электрического моделирования.Например,  есть один или несколько прототипов версии многомасштабные проблема информирования внутреннее состояние переменной моделей, используемых в механике сплошных сред расчетов с масштабом подсеточного информацию о состоянии материала? Возможно, одним можно найти в роли границы зерна 
поведения и микроструктуры материала при определении учредительных свойствами. 

Возможности для лечения гидратированных ионов проблемы эффективно и с высокой точностью будет содействия прогрессу в нескольких приложениях, представляющих интерес для Sandia: геохимия проблемы тяжелого атома адсорбции на поверхности минералов; коррозии металла; катализа, технологии для опреснения; двойного электрического слоя в батареях и топливных элементов; связывания лигандов с приложением к датчику дизайн, биологического треском, и пути заражения; нано-интерфейсов и  функциональными поверхностями. В сочетании с возможностями для определения переходных состояний, это  проблема также относится к роли коллективных явлений в химической реакции, которая становится  более критической в ;;условиях ограниченного пространства, которые происходят в микро-и нано-струйная, цеолитов и  катализаторов, активных сайтов белков и ионных каналов в биологических мембранах клетки. 

Сандиа имеет мирового класса в области моделирования гидратированных системы среди сотрудников в центры 
1100, 6100, и 9200 и моделирования возможностей в эти центры и центры 1800 и 8700 в квантовой Монте-Карло, квантовая ДПФ, классическая Монте-Карло, молекулярная динамика, и молекулярной теории (a.k.a. классической ДПФ). Широкого воздействия возможность точно лечения гидратированных ионов на поверхности в сочетании с интересом около десятка сотрудников, имеющих различные опыта в расчетные и экспериментальные исследования материалов компоненты, необходимые для создания захватывающего проекта. 

Ссылки 
1. Theory and Modeling in Nanoscience, Report of the May 10-11, 2002 Workshop. Conducted
by DOE Basic Energy Sciences and Advanced Scientific Computing.
2. Nanoscale Science, Engineering and Technology Research Directions,
http://www.sc.doe.gov/production/bes/nanoscale.html
Also see: http://www.er.doe.gov/production/bes/NNI.htm
3. http://cint.lanl.gov/theory.html
4. “Multiscale Modeling of Strength and Fracture: Linking through the Mesoscale,”
http://www-cms.llnl.gov/multiscale/
Of related interest:
5. R.E. Miller, “Direct coupling of atomistic and continuum mechanics in computational
material science,” J. Multiscale Comput. Eng., 1, pp. 57-72 (2003).
14
6. W.A. Curtin and R.E. Miller, “Atomistic/continuum coupling in computational materials
science,” Modeling and Simul. Mater. Sci. Eng, 11, pp R33-R68 (2003).
APPENDIX A - A sampling of Technical Meetings and Symposia on Material Multiscale
M&S
• Symposium on Recent Advances in Microstructural Mechanics and Damage Mechanics
of Materials. ASME International Mechanical Engineering Congress (November 14-19,
2004, Anaheim, CA) http://www.asmeconferences.org/Congress04/index.cfm
• Symposium on Nanomechanics and Multi-Scale Simulation of Multi-Physics, the 6th
World Congress on Computational Mechanics (September 5-10, 2004, Beijing, China)
http://www.wccm6-apcom04.org.cn/minisym/23.htm
• 2nd International Workshop. Multiscale Modeling of Strength and Fracture: Linking
through the Mesoscale (January 7 – 9, 2004, Berekeley CA. Sponsored by LLNL).
http://www-cms.llnl.gov/multiscale/
• Symposium on Predictive Material Modeling and Computational Strategy for Creep and
Fatigue Damages. ASME International Mechanical Engineering Congress (November
15-20, 2003, Washington DC)
• Fifth Biennial Tri-Laboratory Engineering Conference (October 21–23, 2003, Santa Fe,
NM. Sponsored by LANL) http://www.lanl.gov/projects/ncsd/Tri-
Labs/CONFERENCE_SCHEDULE.doc
• The 7th U.S. National Congress on Computational Mechanics (July 27-31, 2003, Albuquerque,
NM.):
o Symposium on Recent Developments in Multiscale Modeling.
o Symposium on Multiscale Modeling and Simulation of Material Behavior.
o Symposium on Multiple-scale analysis of nanoscale mechanics and materials.
o Symposium on Stabilized and Multiscale Finite Element Methods.
o Symposium on Mechanism-based approaches to fracture and fatigue.
• Symposium on Multiscale Material Modeling and Simulation. The 2nd MIT Conference
on Computational Fluid and Solid Mechanics (June 17-20, 2003, Cambridge, MA).
http://www.secondmitconference.org/
• Multiscale Computational Mechanics for Material and Structures (September18-20, 2002,
Cachan, France). http://www.lmt.ens-cachan.fr/mcm2002/
15
• CECAM Workshop -- Upscaling from ab initio to Molecular Dynamics: Interatomic potentials
and hybrid methods (July 8-12, 2002, Lyon France).
• Symposium on Modeling and Simulation of Micro and Nano Systems. The 6th U.S. National
Congress on Computational Mechanics (August 1-4, 2001, Dearborn, MI)
• Symposium on Multiscale Material Modeling and Simulation. The 1st MIT Conference
on Computational Fluid and Solid Mechanics (June 12-15, 2001 in Cambridge, MA)
Recent Materials Research Society (MRS) symposia:
• MRS Spring 2004 Symposium P: Nanoscale Materials and Modeling Relations Among
Processing, Microstructure, and Mechanical Properties.
http://www.mrs.org/meetings/spring2004/symp_p.html
• MRS Fall 2003 Symposium KK: Atomic Scale Materials Design-Modeling and Simulation.
• MRS Spring 2003 Symposium W: Multiscale Phenomena in Materials - Experiments
and Modeling Related to Mechanical Behavior.
• MRS Spring 2002 Symposium W: Modeling and Numerical Simulation of Materials Behavior
and Evolution.
• MRS Fall 2001 Symposium T: Statistical Mechanical Modeling in Materials Research.
• MRS Spring 2001 Symposium AA: Advances in Materials Theory and Modeling-
Bridging Over Multiple-Length and Time Scales.
• MRS Fall 2000 Symposium Z: Multiscale Materials Modeling.
• MRS Spring 2000 Symposium P: Multiscale Modeling of Organic Materials.
• MRS Fall 1999 Symposium A: Multiscale Phenomena in Materials - Experiments and
Modeling. • MRS Fall 1998 Symposium J: Multiscale Modeling of Materials.
• MRS Spring 1998 Symposium BB: Computational and Mathematical Models of Microstructural
Evolution.
• MRS Fall 1997 Symposium P: Modeling Across Length Scales for Materials Development.
http://www.mrs.org/meetings/fall97/program_book/p.html
APPENDIX B - New Technical journals devoted to Multiscale M&S
Multiscale Modeling and Simulation (SIAM), Editor: T.Y. Hou, Caltech.
International Journal for Multiscale Computational Engineering (Begell House, Inc.), Editor:
J. Fish, RPI.
Of related interest:
16
Modelling and Simulation in Materials Science and Engineering (IOP), Editor: M. Baskes,
LANL.
Challenges in Molecular Simulations – A program of the European Science Foundation
aimed at building cooperation across Europe in the field of computational physics and chemistry
of condensed matter, with emphasis on the development of tools to perform multiscale
molecular simulations. http://simu.ulb.ac.be/home.html
APPENDIX C - Complex Materials Forum (CMF) seminars on Sandia projects concerned
with multiscale materials M&S methods development
December 12, 2002
Kevin Leung, Nanostructure and Semiconductor Physics (1112)
Title: VASP-QM/MM
I will give an informal talk on my implementation of quantum mechanics/molecular mechanics
(QM/MM) capability to the Vienna DFT code (VASP) – an example of the multiscale
modeling effort at Sandia. QM/MM methods treat localized regions with ab initio accuracy
and apply classical force field boundary conditions. They are potentially useful for addressing
problems including solvation of ions/molecules/biological species, water-material interfaces,
and electrochemical systems. After a survey of the literature, I will describe my plane
wave implementation of QM/MM, the effect of classical force field “pseudo potentials,” and
the nature of those force fields. Preliminary results will be presented. The main objective of
the talk is to promote discussion about this important and growing modeling method.
February 6, 2003
ANNOUNCING: A CMF Seminar Series
Status Reports on Current Multiscale Material Modeling and Simulation Projects
Hosted by: John Aidun, Charles Barbour, Tony Chen, Eliot Fang, and Hank Westrich
Please join us for a series of works-in-progress status reports by the PIs of current Sandia
projects that are concerned with various aspects of multiscale materials simulation (the "multiscale
projects").
These presentations will be held Thursday afternoons, at 3PM, through the spring. Different
from the standard CMF format, 90 minutes will be reserved to allow time for questions and
discussion during and after the PI's 30 to 50 minute presentation.
The sessions will be video-conferenced to SNL/CA. Refreshments will be provided.
The target audience is the team members of the set of multiscale projects and other staff interested
in multiscale materials modeling and simulation. The aim is to share information,
generate discussion, and promote communication among the multiscale projects. Being in-
17
formal, works-in-progress presentations, these should be "warts and all" discussions of the
challenges to achieving the particular multiscale capabilities targeted by each project.
First talk (no abstract):
Jon Zimmerman, Science Based Materials Modeling (8721) will be our next speaker
in the series.
Jon’s presentation will be next Thursday, Feb 13th at 3PM:
“A Robust, Coupled Approach for Atomistic-Continuum Simulation”

March 20, 2003
John B. Aidun, Mngr., Computational Materials & Molecular Biology (9235)
Title: (Impaired) Vision of the Future of Multiscale Material Simulation at Sandia
Coauthors: J. Charles Barbour, Mngr., 1112 (Nanostructure and Semiconductor Physics);
E.P. Tony Chen, Mngr 8726 (Science Based Materials Modeling); H. Eliot Fang, Mngr 1834
(Materials and Process Modeling); Henry R. Westrich, Mngr 6118 emeritus (Geochemistry)
As managers of computational materials departments, we believe that our departments can
best continue to increase their impact upon Sandia’s missions by developing simulation
methods that can treat the set of coupled phenomena that occur over a substantial range of
length and time scales in any particular heterogeneous (including reacting) material – in application,
all materials are heterogeneous. We are attempting to support and accelerate efforts
among the technical staff to achieve such multiscale material simulation capabilities by
facilitating information exchange, promoting coordination, and providing visibility. This
presentation will begin with a review of the preliminary steps we’ve taken in these directions.
An early “success” of our efforts was being invited to sign up for a corporate Science and
Technology milestone in FY03. In short, the task is to develop a research plan for developing
theory, models, and computational methods to link quantum and atomistic scale phenomena
to mesoscale (discrete or continuum) system behavior in order to strengthen Sandia’s capabilities
in materials modeling and simulation. This milestone is intended to move us much
closer to the longer term goal of linking quantum, atomistic, and coarse-grained mesoscale
simulations to continuum constitutive models, which are essential for the finite element
method calculations that are the workhorse computational method contributing to Sandia’s
mission. The major portion of this presentation will outline apparent constraints and practicalities
that the desired research plan will need to accommodate and engage the participants
in discussing what they will require to be able to develop the desired multiscale material
modeling and simulation capabilities, and your ideas for how to approach the technical challenges.
April 17, 2003
Randy Cygan and Louise Criscenti, Geochemistry (6118)
Title: Multiscale Investigations of Mineral-Water Interactions
18
The fate of chemical and radioactive contaminants in the environment is related to the ability
of natural phases like oxide and clay minerals to attenuate them through chemical sorption.
Our ability to understand these processes is provided by bulk experimental data on the partitioning
of contaminant species between aqueous solution and a solid phase, and molecularlevel
data provided by analytical methods such as X-ray absorption, vibrational, and NMR
spectroscopies. However, due to complexities in the structure and composition of clay-like
minerals, and analytical difficulties in examining mineral surfaces in aqueous solution, it is
important to apply theoretical approaches to gain a fundamental understanding and interpretation
of these phenomena. In this effort, we use ab initio cluster calculations, classical force
field methods, and thermodynamic surface complexation models to examine mineral-water
interactions at different length scales.
A general force field suitable for the simulation of hydrated and multicomponent mineral
systems has been developed to study the ability of clay-like minerals to sorb contaminants.
Interatomic potentials were derived from parameterizations incorporating structural and spectroscopic
data from a variety of simple hydrated compounds. A flexible water model is used
to describe the water and hydroxyl behavior. Bulk structures, relaxed surface structures, and
intercalation processes are compared to experimental and spectroscopic findings for validation.
Simulations of clay, hydroxide, oxyhydroxide, and layered double hydroxide phases
combine energy minimization and molecular dynamics methods to describe the structure and
behavior of water, hydroxyl, surface species, and intercalates in these systems. The dynamics
of the water-clay interlayer can be determined with atomic density profiles and surface
maps derived from molecular dynamics trajectories. We have successfully simulated the
swelling behavior of various clays and the complex structure of antigorite. We have also
used these methods to extract partition coefficients for the sorption of radionuclides onto the
basal surfaces of clays, that can be incorporated into larger-scale continuum models for risk
assessment purposes.
To investigate the efficiency of oxide and hydroxide minerals to attenuate divalent metal
contaminants, we first developed a continuum surface complexation model. Thermodynamic
parameters were extracted by fitting bulk metal adsorption data with this model. The results
suggest that transition and heavy metals adsorb to oxide surfaces in combination with the
electrolyte anion. To date, analytical techniques available to investigate this possibility are
still under development. Therefore, two other approaches to investigate the potential role of
metal-anion complexation at oxide surfaces are underway. The first, is to use ab initio cluster
calculations to investigate how metal speciation varies as a function of changing water
properties from the mineral surface into bulk solution. The second, is to extend the general
force field for clay-like minerals to other metal oxides and hydroxides and examine the distribution
of aqueous metal species as a function of distance from the oxide surface into bulk
solution. Information from these studies will then be incorporated into surface complexation
models for use in field-scale continuum reactive-transport models.
May 1, 2003
Peter Schultz, CMMB (9235) with Aidan Thompson (9235) and Mary Roehrig, Distributed
Information Systems (6545)
19
Title: Quantum-derived empirical simulations for chalcogenide and silica - OR - The
dirty, grubby side of a "multiscale" atomistic approach to studying complex materials
systems
We describe our efforts to define the methods and develop the simulation tools necessary to
study two complex materials systems: chalcogenide phase change material as a candidate for
non-volatile radiation-hard memory elements, and silica for examining radiation effects in
electronic devices. The crucial phenomena in these materials involve chemical processes -
diffusion, phase changes, reactivity - that require dynamical simulations with quantum accuracy
or better. The challenge is a familiar one: quantum chemistry is much too slow for adequate
dynamics, force-field simulations are too inaccurate to adequately describe the chemistry,
and, moreover, mastering and tailoring all the necessary methods to tackle a particular
materials system is a major undertaking. We will describe the particular challenges posed by
chalcogenides and silica, our roadmap for tackling these challenges, and give progress reports
on two software efforts arising from the need to overcome these challenges. Aidan will
give an overview of the development of his code GRASP to perform MD simulations with
reactive force fields. Mary will describe development of MAUI interfaces to coordinate materials
codes, and demonstrate a working interface for Quest, a quantum code.
May 15, 2003
Susan Rempe, Computational Biology (9212) and Mark Sears, CMMB (9235)
Title: Modeling interfacial fluid effects: What it takes to make quantitative predictions
When theorists predict the properties of materials at fluid interfaces, the common complaint
is that better implicit solvation models are needed. We will describe our efforts to evaluate
quantitatively different approaches, including different implicit solvation models, for predicting
the properties of charged and neutral species in liquid water.
May 29, 2003
Edward S. Piekos, Microscale Science and Noncontinuum Transport (9113)
Title: Scale Effects in Energy Transport: We've Got You Surrounded
The trend of producing ever-smaller devices with ever-increasing functionality is pushing
thermal management up the list of obstacles that must be negotiated on the road to a successful
microsystem design. Compounding this problem, noncontinuum effects appear at short
length and time scales, degrading the accuracy of commonly-used design tools, sometimes
producing order-of-magnitude differences between predicted and observed behavior.
In response to this situation, Sandia has established a multi-pronged research program in microscale
thermal transport. This program combines experiment with modeling at a range of
scales in order to provide improved understanding of the relevant processes and, subsequently,
predictive models for microsystem designers.
In this talk, I will outline our approach and show results from our work to date. For obvious
reasons, I will provide the highest level of detail on my aspect of the program: Monte Carlo
simulation of phonon transport. This technique, in terms of where it is most beneficial, lies
between atomistic and continuum simulations. Similarities to (and key differences from) di-
20
rect-simulation Monte Carlo (DSMC) for noncontinuum gas dynamics will be highlighted
and insights gained from these simulations will be discussed.
June 26, 2003
N. A. Modine, Nanostructure and Semiconductor Physics (1112) M. Chandross and E.
Jaramillo, Materials and Process Modeling (1834)
Title: Modeling Local Chemistry in the Presence of Collective Phenomena
Confinement within the nanoscale pores of a zeolite strongly modifies the physical and
chemical behavior of small molecules such as water, ammonia, and carbon dioxide.
Realistic modeling of such phenomena requires simultaneously capturing the detailed behavior
of chemical bonds and the possibility of collective dynamics occurring in a complex unit
cell (672 atoms in the case of Zeolite-4A). This interplay between local chemistry and collective
phenomena is characteristic of many important materials science problems. Classical
simulations alone cannot reliably model the breaking and formation of chemical bonds, while
quantum methods alone are incapable of treating the extended length and time scales characteristic
of complex dynamics. Therefore, we have taken a mixed quantum/classical approach.
We report our progress in embedding a small region treated with the Kohn-Sham
density functional theory within a larger system represented by classical potentials. We believe
that a localized representation of the electronic structure is key to achieving an efficient
embedding when covalent bonds cross the boundary between the regions. We describe and
compare Green’s-function-based and energy-minimization-based approaches to solving for
this localized representation, and we discuss preliminary results for the behavior of water,
ammonia, and the ammonium ion in Zeolite-4A. We will also summarize future work proposed
in a pending submission (“Investigating the Chemistry of Nanopores Using a Localized
Hierarchical Basis”) to the joint BES/ASCR call Theory, Modeling, and Simulation in
Nanoscience.
July 10, 2003
James Landry, Surface and Interface Science (1114 )
Title: The Physics of Silos and Hoppers
I explore the formation and structure of granular packings using large-scale molecular dynamics
simulations. The three-dimensional packings are created through pouring or sedimentation
and then settle under the influence of gravity. The final packing state depends
strongly on the history of construction. I compare the stress profiles in these packings to the
classical theory of Janssen and show how the deviation of the stress from the Janssen form is
related to the Coulomb failure criterion. I also investigate how to perturb the system to force
it to the classical Janssen form.
Hopper flow has recently been suggested by many groups as an ideal system for studying the
onset of jamming, both experimentally and through simulations. I present fully threedimensional
simulations of hopper flow and explore how the internal structure and force
21
distributions change with decreasing flow velocity. While changing flow velocities have
only a small effect on the force distribution, they have a large effect on the impulse distribution.
Finally, I will outline a new multi-scale modeling collaboration between Sandia and
MIT based on a new model of hopper flow.
July 24, 2003
Chester Weiss, Geophysical Technology (6116)
Title: Anomalous Diffusion of Electromagnetic Fields in Hierarchical Geologic Media
Accurate subsurface imaging is important for a large number of applications including underground
facility characterization, monitoring, defeat and damage assessment; resource exploration
and recovery (oil and gas, geothermal, geologic sequestration of CO2); and environmental
characterization, remediation and monitoring. Among the various geophysical
imaging methods currently in practice, those based on the propagation of low-frequency (<1
MHz) electromagnetic (EM) fields are unique in their ability to identify deeply buried (>2 m)
electrically conductive targets. However, a fundamental problem in the use of low-frequency
EM methods is a basic understanding of anomalous diffusion of electromagnetic energy
within highly complex, multi-scale geologic materials. A growing body of evidence suggests
that the electrical structure of geologic materials is inherently fractal, arising from the dynamical
systems that have generated and altered rocks through geologic time. These observations
challenge the applicability of the usual macroscopic Maxwell equations which form
the basis of all multi-dimensional numerical models used for subsurface EM imaging. As an
alternative, the concepts of fractal signals and random walks through spatially-correlated heterogeneous
media are currently under investigation as a means to describe the observed
variations in EM earth response. This framework suggests that EM induction may be described
by a modified, fractional-order diffusion equation which accounts for the inherently
complex, multi-scale, hierarchical structure of geologic materials.
August 28, 2003
Gary Grest, Surface and Interface Science (1114)
Title: Spreading Dynamics of Polymer Nanodroplets
Simulation results for the spreading of polymer droplets will be presented. To study the dynamics
of both the precursor foot and the bulk droplet, large drops of ~200,000 monomers
are simulated using a bead-spring model for the polymer. Results for spreading on flat and
atomistic surfaces will be compared for three different chain lengths 10, 20, and 40 monomers
per chain. Comparison for different applications of Langevin and dissipative particle
dynamics thermostats will also be presented. The dynamics of the bulk drop are fit to several
continuum models. We find diffusive behavior for the precursor foot and good agreement
with the molecular kinetic model of droplet spreading using both flat and atomistic surfaces.
Despite the large system size and long simulation time relative to previous simulations, no
evidence of hydrodynamic behavior in the spreading droplet is found.
September 25, 2003
Veena Tikare, Materials and Process Modeling (1834)
22
with Michael Braginsky (1834), Guadalupe Arguello, Solid Mechanics Engineering
(9126), and Terry Garino, Ceramic Materials (1843).
Title: Numerical Simulation of Sintering at Multiple Length Scales
Sintering is one of the oldest processes used by man to manufacture materials dating as far
back as 12,000 BC. While it is an ancient process, it is also necessary for many modern
technologies such a multilayered ceramic packages, wireless communication devices, and
many others. The process consists of thermally treating a powder or compact at a temperature
below the melting point of the main constituent, for the purpose of increasing its strength
by bonding together of the particles. During sintering, the individual particles bond, the pore
space between particles is eliminated, the resulting component can shrinks by as much as 30
to 50% by volume, and it can distort its shape tremendously. Being able to control and predict
the shrinkage and shape distortions during sintering has been the goal of much research
in material science. And it has been achieved to varying degrees by many. The object of this
project was to develop models that could simulate sintering at the mesoscale and at the macroscale
to more accurately predict the overall shrinkage and shape distortions in engineering
components.
The mesoscale model simulates microstructural evolution during sintering by modeling grain
growth, pore migration and coarsening, and vacancy formation, diffusion and annihilation.
In addition to studying microstructure, these simulation can be used to generate the constitutive
equations describing shrinkage and deformation during sintering. These constitutive
equations are used by continuum finite element simulations to predict the overall shrinkage
and shape distortions of a sintering crystalline powder compact. Both models will be presented.
Application of these models to study sintering will be demonstrated and discussed.
Finally, the limitations of these models will be reviewed.
APPENDIX D - Draft Visitors Program plan
A Strategy for Growing Multiscale Materials Simulation Capabilities at Sandia
John Aidun, Computational Materials and Molecular Biology (9235), MS 0316
Charles Barbour, Nanostructure and Semiconductor Physics (1112), MS 1415
Eliot Fang, Materials and Process Modeling (1834), MS 1411
Hank Westrich, Geochemistry (6118), MS 0750
Sandia National Laboratories, 11 February 2002
Background:
Staff members in several departments have projects underway that either develop or apply
multiscale methods for computational materials simulations ranging from quantum electronic
to molecular scales. Multiscale simulation capabilities are important to Sandia’s modeling
and simulation capabilities, but they present a formidable challenge that is not likely to
be universally solved by a single method. Moreover, successful solutions are likely to be
multi-disciplinary approaches that cross-organizational boundaries.
23
It is in Sandia’s interests for the current efforts in multiscale material simulation (MMS)
to thrive, interact, and grow. Our immediate goal is to nurture these current efforts and foster
communication and interaction among the separate MMS project teams. Additional goals for
material modeling and simulation (M&S) at Sandia follow from this and some are detailed
below. A long-term measure of success in these endeavors is for Sandia to become an acknowledged
leader in numerical modeling and simulation of materials.
Here we propose developing a SNL program of summer visits by senior scientists in the
field of material simulation. We see this as a versatile means for assisting the current MMS
projects to progress rapidly and for facilitating communication and interaction among these
project teams, as well as with the wider material M&S community within Sandia. Through
this program we expect to realize many of the benefits of more coordinated research and development
efforts in MMS: the R&D work having a greater impact and progressing faster
than the aggregate of the parts would otherwise do; these pursuits gaining greater visibility
both within and external to Sandia; aligning with opportunities for the sustained and increased
funding that is required for long-term success; enabling the pursuit of exciting science
that could not be done without multiscale capabilities. Through the summer visitors
program we wish to encourage sufficient overlap among the sets of projects, either in technical
approach or target applications, to achieve a desirable level of coordination of these efforts.
While a widely shared, long-term goal is to bridge from atomistic to continuum time
and length scales, this is a daunting challenge that we do not propose to pursue in its entirety
at this time. Instead, we choose initially to focus on computational and theoretic methods to
bridge the time and length scales from discrete quantum electronic up to discrete or continuum
mesoscale. This helps ensure a sufficient commonality of interest and issues among the
different projects to make it feasible to develop the sought for interactions and coordination.
Proposed Activity – Visiting Senior Scientist Program: Summer visits by selected senior
staff to collaborate with a specific SNL MMS project, participate in informal technical group
discussions, and interact widely with SNL staff on the MMS project teams.
Initial Scope – Quantum electronic to mesoscale simulation methods and applications.
Purpose & Goals
Immediate (summer ‘02)– Encourage and facilitate communication and interaction among
MMS project teams; obtain input from external experts in the field;
Near Term (FY’02 - FY’04) - Maintain summer program on a recurring basis; foster interdisciplinary
interactions within SNL; establish formal collaborations with external
experts; gain access to promising students in the area; increase SNL staff interest in
MMS; provide MMS efforts visibility within SNL; develop external customers and
funders.
Long Term – Expand multiscale R&D activities to extend to continuum modeling of materials;
establish Sandia as a leader in (multiscale) material simulation; develop additional
external customers and funders; establish internal organization, e.g., LDRD
Investment Area in MMS; (Multiscale) Material Simulation Initiative; Materials
M&S Institute.
24
Potential Invitees for Summer ’02
(solicit input from MMS project PIs)
Current MMS Projects
1. N. Modine (1112), “Modeling local chemistry in the presence of collective phenomena”
2. P. Schultz (9235), “Calibrated semi-empirical MD methods”
3. L. Frink / S. Rempe (9209), “Coupled quantum-classical solvation simulation”
4. L. Criscenti (6118), “Metal absorption onto oxide surfaces from aqueous solutions”
5. S. Foiles (1834), “Corrosion”
6. J. Zimmerman (8726) “A robust, coupled approach for atomistic-continuum simulation”
Leveraged Tie-Ins – Partners & Funders
CSRI; MESA Institute; CINT;
(SNL/CA summer intern program); other SNL/CA(?)
Campus Executive Prog.; Joint RF Support (MS&T, CIS, µE&P)
Format of Summer Interactions
1. Early on in visit, each visiting scientist gives a joint colloquium to MMS project
teams on her/his area of interest and expertise.
2. Visiting scientists are jointly briefed on the set of MMS projects.
3. Each visiting scientist works on a MMS project (pre-identified).
4. Visiting scientists are encouraged to also look for opportunities to make an impact on
additional MMS projects.
5. Hold weekly or bi-weekly informal technical colloquia / group discussions alternately
lead by each of the MMS project teams. Opened to all; MMS project team staff particularly
encouraged to participate.
6. Before departing, each visiting scientist presents summary of work and progress, and
appropriate documentation (technical memo, SAND, journal article).
25
DISTRIBUTION:
1 0310 R. Leland, 9220
1 0310 M.D. Rintoul, 9212
1 0316 S. Dosanjh, 9233
1 0316 J. Aidun, 9235
1 0318 P. Yarrington, 9230
1 0318 J. Nelson, 9216
1 0321 W. J. Camp, 9200
1 0323 H. Westrich, 1011
1 0511 C. Meyers, 1010
1 0513 J. P. Vandevender, 1000
1 0750 T. Hinkebein, 6118
1 0751 L. Costin, 6117
1 0819 T. Trucano, 9211
1 0819 R. Summers, 9231
1 0825 W. Hermina, 9110
1 0826 S. Kempka, 9113
1 0835 M. McGlaun, 9140
1 0836 M. Baer, 9100
1 0847 S. Mitchell, 9211
1 0847 H. Morgan, 9120
1 0885 G. Heffelfinger, 1802
1 0885 D. Salzbrenner, 1801
1 0887 M. Cieslak, 1800
1 1110 D.Womble, 9214
1 1111 J. Shadid, 9233
1 1111 B. Hendrickson, 9215
1 1186 T. Melhorn, 1674
1 1411 H.E. Fang, 1834
1 1415 W. Gauster, 1050
1 1415 N. Shinn, 1114
1 1415 J.C. Barbour, 1112
1 1427 J. Phillips, 1100
1 9042 G. Wagner, 8752
1 9161 B. Even, 8760
1 9161 J. Zimmerman, 8763
1 9161 E.P. Chen, 8763
1 9401 G. Kubiak, 8750
1 9403 J. Hruby, 8700
1 9405 D. Wilson, 8770
1 9018 Central Technical Files, 8945-1
2 0899 Technical Library, 9616


1. Теория и моделирование в нанотехнологии, доклад 10-11 мая 2002 года семинар. Проведение 
Министерством энергетики США по фундаментальным наукам энергии и передовых научных вычислений. 
2. Наноразмерных науке, технике и технологии направления исследований, 
http://www.sc.doe.gov/production/bes/nanoscale.html 
См. также: http://www.er.doe.gov/production/bes/NNI.htm 
3. http://cint.lanl.gov/theory.html 
4. "Многомасштабное моделирование Прочность и разрушение: Образцы через Мезомасштабные", 
http://www-cms.llnl.gov/multiscale/ 
Соответствующих интересам: 
5. R.E. Миллер, "Прямая связь точечной и механики сплошной среды в вычислительных 
материаловедение, "J. Многомасштабная вычисл. Eng., 1, стр. 57-72 (2003). 
6. В. А. Куртин и R.E. Миллер, "Атомистическое / континуума связи в вычислительных материалов 
науки, "Моделирование и Simul. Mater. Sci. Eng, 11, стр. R33-R68 (2003). 
ПРИЛОЖЕНИЕ - выборка технических совещаний и симпозиумов по Материал Многомасштабная 
M & S 
• Симпозиум по последним достижениям в Микроструктурные механики и повреждения механики 
материалов. ASME Международный конгресс Механическая инженерия (14-19 ноября, 
2004 г., Анахайм, Калифорния) http://www.asmeconferences.org/Congress04/index.cfm 
• Симпозиум по наномеханика и Multi-Scale Моделирование Multi-физики, шестой 
Всемирный конгресс по вычислительной механике (сентябрь 5-10, 2004, Пекин, Китай) 
http://www.wccm6-apcom04.org.cn/minisym/23.htm 
• 2-й Международный семинар. Многомасштабное моделирование Прочность и разрушение: Образцы 
через Мезомасштабные (7 января - 9., 2004, Berekeley CA поддержке LLNL). 
http://www-cms.llnl.gov/multiscale/ 
• Симпозиум по прогнозное моделирование и компьютерное Материал стратегии ползучести и 
Усталостных повреждений. ASME Международный конгресс Механическая инженерия (ноябрь 
15-20, 2003, Вашингтон, округ Колумбия) 
• В-пятых двухгодичной инженерно Tri-лаборатории конференции (21-23 октября, 2003, Санта-Фе, 
NM. При поддержке ЛАНЛ) http://www.lanl.gov/projects/ncsd/Tri- 
Лаборатории / CONFERENCE_SCHEDULE.doc 
• США седьмой Национальный конгресс по вычислительной механике (июль 27-31, 2003, Альбукерке, 
Н. М.).: 
О симпозиума о последних событиях в Многомасштабное моделирование. 
О симпозиума по Многомасштабное моделирование и моделирование поведения материалов. 
О симпозиума на нескольких масштабах анализа наноразмерных механики и материалов. 
О симпозиума по стабилизировалась и Многомасштабная методов конечных элементов. 
О симпозиума по механизму подходы к разрушению и усталости. 
• Симпозиум по Многомасштабное моделирование материалов и моделирование. 2-й конференции MIT 
на Computational Fluid и механике деформируемого твердого тела (17-20 июня 2003 года, Кембридж, Массачусетс). 
http://www.secondmitconference.org/ 
• Многомасштабная Вычислительная механика "для материала и конструкций (September18-20, 2002, 
Кашан, Франция). http://www.lmt.ens-cachan.fr/mcm2002/ 
15

• CECAM Семинар - Масштабирование от неэмпирических к молекулярной динамики: межатомные потенциалы 
и гибридные методы (8-12 июля 2002 года, Лион Франция). 
• Симпозиум по моделированию микро-и нано систем. 6-я У. С. Национальный 
Конгресс по вычислительной механике (1-4 августа 2001 года, Дирборн, Мичиган) 
• Симпозиум по Многомасштабное моделирование материалов и моделирование. 1-я Конференция MIT 
на Computational Fluid и механике деформируемого твердого тела (12-15 июня 2001 года в Кембридже, штат Массачусетс) 
Последние материалы исследовательского общества (MRS) симпозиумов: 
• Г-жа Весна 2004 симпозиум P: наноразмерных материалов и моделирование взаимоотношения между 
Обработка, микроструктуры и механических свойств. 
http://www.mrs.org/meetings/spring2004/symp_p.html 
• Г-жа осень 2003 года симпозиум К.К.: атомном масштабе Материалы Дизайн-моделирование и моделирование. 
• Г-жа Весна 2003 Симпозиум Д: Многомасштабная явлений в материалах - Эксперименты 
и моделирования, относящиеся к механического поведения. 
• Г-жа Весна 2002 Симпозиум W: моделирование и численное моделирование поведения материалов 
и эволюции. 
• Г-жа осенью 2001 года симпозиум Т: Статистическая механического моделирования при исследовании материалов. 
• Г-жа весной 2001 года А. А. Симпозиум: Прогресс в области материалов Теория и моделирование- 
Преодоление в течение нескольких длины и временных масштабах. 
• Г-жа осень 2000 г. симпозиум Z: Многомасштабное моделирование материалов. 
• Г-жа весной 2000 года симпозиум P: Многомасштабное моделирование органических материалов. 
• Г-жа осень 1999 Симпозиум: Многомасштабная явлений в материалах - Эксперименты и 
• Г-жа осенью 1998 Симпозиум J: Многомасштабное моделирование материалов. 
• Г-жа весной 1998 года симпозиум BB: Вычислительные и математических моделей микроструктурных 
Эволюция. 
• Г-жа осень 1997 симпозиум P: моделирование его длиной весы для развития материалов. 
http://www.mrs.org/meetings/fall97/program_book/p.html 
ПРИЛОЖЕНИЕ B - Новый технический журналов, посвященных Многомасштабная M & S 
Многомасштабное моделирование и моделирование (СИАМ), редактор: TY Хоу, Калифорнийском технологическом институте. 
Международный журнал для Многомасштабная вычислительной техники (Begell House, Inc), редактор: 
Дж. Рыба, RPI. 
Соответствующих интересам: 
Моделированию в области материаловедения и технологии (ВГД), редактор: М. Baskes, 
ЛАНЛ. 
Проблемы в молекулярно - программа Европейского научного фонда 
направленные на укрепление сотрудничества в Европе в области вычислительной физики и химии 
конденсированных сред, с акцентом на развитие инструментов для выполнения многомасштабные 
молекулярного моделирования.http://simu.ulb.ac.be/home.html 

ПРИЛОЖЕНИЕ С - комплекс материалов форума (CMF) семинары по проектам Сандиа заинтересованных 
с многомасштабные материалы M & S методов развития 
12 декабря 2002 
Кевин Ленг, наноструктуры и физики полупроводников (1112)
Название: VASP-QM/MM 

Я дам неформальной обстановке пообщаться на моей реализации квантовой механики / молекулярной механики (КМ / ММ) возможность код Вене ДПФ (VASP) - пример многомасштабные моделирование усилий в Sandia. КМ / ММ методы лечения локализованного регионов с АБ точность первых принципов 
и применять классические условия силового поля границы. Они являются потенциально полезными для решения проблем, включая сольватации ионов / молекул / биологических видов, водо-материал интерфейсов, и электрохимических систем. После обзора литературы, я опишу свой самолет волны осуществления КМ / ММ, влияние классического силового поля "псевдо потенциалов", и характер этих силовых полей. Предварительные результаты будут представлены. Основная цель Обсуждение является содействие обсуждение этой важной и растущей метод моделирования. 
6 февраля 2003 
Объявление: Серия CMF семинар 
Статус отчеты о текущих Многомасштабное моделирование материалов и моделирование проектов 
Хостинг: Джон Aidun, Чарльз Барбор, Тони Чен, Элиот клык, и Хэнк Westrich 
Пожалуйста, присоединяйтесь к нам за серию работ, в докладах незавершенного статус ИП текущего Сандиа 
проекты, которые связаны с различными аспектами многомасштабных моделирование материалов ("многомасштабные 
проекты "). 
Эти выступления будут проходить с четверга во второй половине дня, в 3 часа, в течение весны. Различные 
от стандартного формата CMF, 90 минут будет зарезервировано, чтобы дать время для вопросов и 
обсуждения во время и после 30 до 50 минут презентации ИП. 
Заседание будет видео-конференц-связи на SNL / CA. Кофе будет предоставлена. 
Целевой аудиторией являются членами команды множества многомасштабных проектов и других заинтересованных сотрудников 
в многомасштабные моделирования материалов и моделирования. Цель заключается в обмене информацией, 
вызвать дискуссию, а также содействовать коммуникации между многомасштабные проектов. Находясь в- 
17 
формальных, работ-в-ход презентации, они должны быть "бородавки и все" обсуждения 
проблемы для достижения частности многомасштабные возможности мишенью для каждого проекта. 
Первый разговор (не абстрактные): 
Джон Циммерман, научно обоснованных материалов моделирование (8721) будет нашим Следующий оратор 
в серии. 
Презентация Джон будет следующий четверг, 13 февраля в 3 часа: 
"Надежная, связанных подход для моделирования Атомистическое континуума" 
20 марта 2003 
Джон Б. Aidun, Mngr., Численные материалы и молекулярной биологии (9235) 
Название: (Нарушение) Видение будущего Многомасштабное моделирование материалов на Сандиа 
Соавторы:. Дж. Чарльз Барбор, Mngr, 1112 (наноструктур и физики полупроводников); 
Е.П. Тони Чен, Mngr 8726 ("Наука Материалы на основе моделирования); H. Fang Элиот, Mngr 1834 
(Материалы и моделирования процессов); Генри Р. Westrich, Mngr 6118 почетный (геохимия) 
Как руководители отделов вычислительной материалов, мы считаем, что наши подразделения могут 
лучшие продолжать увеличивать их влияние на миссии Сандиа путем разработки моделирования 
методы, которые можно рассматривать множество связанных явлений, которые происходят в течение продолжительного диапазона 
длины и времени масштабов в какой-либо конкретной гетерогенных (в том числе реагирующих) материал - в приложении, 
Все материалы неоднородны. Мы пытаемся поддерживать и активизировать усилия 
среди технических сотрудников для достижения таких многомасштабные возможности моделирования материала 
облегчения обмена информацией, содействия координации и обеспечения видимости. Это 
Презентация начнется с обзора предварительные шаги, которые мы взяли в этих направлениях. 
Рано "успех" наших усилий в настоящее время предлагается, чтобы зарегистрироваться для корпоративных и науки 
Технология вехой в FY03. Короче говоря, задача состоит в разработке плана исследований для разработки 
теории, модели и вычислительные методы для связи квантовых явлений и атомистического масштаба 
в мезомасштабных (дискретный или континуума) поведение системы в целях укрепления возможностей Sandia's 
в материалах моделирования и симуляции. Этот этап предназначен для перемещения нас много 
ближе к долгосрочной цели Образцы квантовой атомистической, и грубая мезомасштабных 
моделирование в континуум учредительных моделей, которые имеют важное значение для конечного элемента 
Метод вычисления, рабочая лошадка вычислительный метод способствует Sandia's 
миссии. Большая часть этой презентации будут определены очевидной трудности и практические 
, что желаемый план исследований должна будет учитывать и вовлечения участников 
В ходе обсуждения, что они будут требовать, чтобы иметь возможность развивать желаемого многомасштабные материала 
моделирование возможностей, и ваши идеи о том, как подход технические проблемы. 
17 апреля 2003 
Рэнди Цыгана и Луиза Criscenti, геохимии (6118) 
Название: Многомасштабная исследования минеральной воды Взаимодействия 
18 
Судьба химических и радиоактивных веществ в окружающей среде, связанные со способностью 
природных фаз, как оксид и глинистых минералов для ослабления их через химической сорбции. 
Наша способность понимать эти процессы обеспечивают объем экспериментальных данных по перегородки 
загрязняющих видов между водным раствором и твердой фазе, и molecularlevel 
данным аналитических методов, таких как рентгеновского поглощения, колебательной и ЯМР 
спектроскопии. Однако из-за сложностей в структуре и составе глиноподобных 
минералы и аналитические трудности в изучении минеральных поверхностей в водном растворе, это 
важно применять теоретические подходы, чтобы получить фундаментальное понимание и интерпретация 
этих явлений. В этой работе мы используем Расчеты кластера, классической силой 
полевые методы, и термодинамические модели комплексообразования поверхности для изучения минеральных вод 
взаимодействия в различных масштабах длины. 
Общего силового поля подходят для моделирования гидратированных и многокомпонентные минеральные 
системы был разработан для изучения способности глиноподобных минералов сорбировать загрязнений. 
Межатомные потенциалы были получены из параметризации включения структурных и спектроскопических 
данные из различных простых гидратированных соединений.Гибкая модель используется вода 
для описания воды и гидроксила поведения. Объемных структур, расслабленной поверхностных структур, и 
интеркаляции процессов по сравнению с экспериментальными и спектроскопические данные для проверки. 
Моделирование глины, гидроксид, гидроксид, и слоистых двойных фаз гидроокиси 
объединить минимизации энергии и молекулярной динамики для описания структуры и 
Поведение воды, гидроксил, поверхности видов, и интеркалятов в этих системах. Динамика 
из воды глины прослойки может быть определена с атомной профилей плотности и поверхностного 
Карты, полученные из молекулярных траекторий динамики.Мы успешно моделируются 
набухание различных глин и сложной структурой антигорит.Мы также 
использовать эти методы для извлечения коэффициентов распределения для сорбции радионуклидов на 
базальной поверхности глины, которые могут быть включены в более крупные, масштабные модели континуума риска 
целей оценки. 
Для исследования эффективности оксида и гидроксида минералов для ослабления двухвалентных металлов 
загрязнители, мы впервые разработали комплексообразования континуума поверхности модели.Термодинамический 
параметры были извлечены путем установки массивного металла адсорбционных данных с этой моделью.Результаты 
предполагают, что переход и тяжелых металлов адсорбируются на поверхности окислов в сочетании с 
электролита анионов. На сегодняшний день, аналитические методы доступны для расследования этой возможности являются 
еще в стадии разработки. Таким образом, две другие подходы к расследованию потенциальной роли 
металл-анион комплексообразования на поверхности оксида продолжаются. Во-первых, это использование AB кластера первых принципов 
Расчеты исследовать, как металл видообразования меняется в зависимости от изменения воды 
свойства из минеральной поверхности в объеме раствора.Во-вторых, является расширение общего 
Силовое поле для глиноподобных минералов оксидов других металлов и гидроксидов и изучение распределения 
водных видов металла в зависимости от расстояния от поверхности оксида в объемных 
решение. Информация из этих исследований будут затем включены в поверхностные комплексообразования 
модели для использования в полевых масштабах континуум реактивных транспортных моделей. 
1 мая 2003 
Питер Шульц, CMMB (9235) с Айдан Томпсон (9235) и Мэри Роерай, распределенных 
Информационные Системы "(6545) 
19 
Название: Квант-эмпирические моделирования для халькогенидных и кремнезема - ИЛИ - 
грязной, грязной стороне "многомасштабные" атомистического подхода к изучению сложных материалов 
системы 
Мы опишем наши усилия для определения методов и разработка средств моделирования необходимо 
Исследование двух комплексных системах материалов: халькогенидных существенные изменения фазы в качестве кандидата на 
энергонезависимой радиационно стойких элементов памяти, и кремнезема для изучения радиационных эффектов в 
электронных устройств. Важно явлений в этих материалах включать химические процессы - 
диффузия, фазовые переходы и реактивность - которые требуют динамического моделирования с квантовыми точности 
или лучше. Задача состоит в знакомой: квантовая химия является слишком медленным для адекватного 
Динамика, сила поля моделирования слишком неточны, чтобы адекватно описать химии, 
и, кроме того, освоение и адаптация все необходимые методы для решения частности 
материалы системы является одним из основных обязательств. Мы опишем особые проблемы, создаваемые
халькогенидов и кремнезема, наш план для решения этих проблем, и дать доклады о ходе работы 
на два программных усилий, вытекающих из необходимости решения этих проблем. Айдан будет 
дают представление о развитии его код ГРАСП для выполнения МД с 
реактивной силовых полей. Мэри будет описывать развитие Мауи интерфейсы для координации материалов 
кодов, а также продемонстрировать рабочий интерфейс для Quest, квантовой кода. 
15 мая 2003 
Сьюзан Ремпе, вычислительная биология (9212) и Марк Sears, CMMB (9235) 
Название: Моделирование межфазного жидкости эффекты: Что нужно сделать количественные прогнозы 
Когда теоретики предсказать свойства материалов в жидкости интерфейсов, распространенная жалоба 
является то, что лучше неявного сольватации модели необходимы. Мы опишем наши усилия, направленные на оценку 
количественно различные подходы, в том числе различных неявных моделей сольватации, для прогнозирования 
свойства заряженных и нейтральных частиц в жидкой воде. 
29 мая 2003 
Эдвард С. Piekos, Микромасштабные науки и Noncontinuum транспорта (9113) 
Название: эффект масштаба в области энергетики транспорта: У нас Вы окружении 
Тенденция производить все меньше устройств со все возрастающей функциональностью толкает 
управление температурным режимом до перечень препятствий, которые должны быть согласованы на пути к успешной 
микросистемы дизайна. Усугубляет эту проблему, noncontinuum эффекты проявляются на малых 
длины и временных масштабах, унижающие достоинство точность часто используемые инструменты проектирования, иногда 
производство по порядку величины различия между прогнозируемыми и наблюдаемое поведение. 
В ответ на эту ситуацию, Sandia создал многоплановый программы исследований в микромасштабной 
тепловой транспорта. Эта программа сочетает в себе экспериментировать с моделью в диапазоне 
масштабах с целью обеспечить более глубокое понимание соответствующих процессов и, соответственно, 
прогнозных моделей для микросистемы дизайнеров. 
В этом разговоре, я опишу наш подход и показать результаты нашей работы на сегодняшний день. По очевидным 
причинам, я буду обеспечить высокий уровень детализации на моем аспект программы: Монте-Карло 
моделирование фононного транспорта. Этот метод, с точки зрения того, где это наиболее выгодно, лежит 
между точечной и сплошной моделирования. Сходство с (и ключевые отличия от) ди- 
20 
прямоугольник-Монте-Карло (Прямое) для динамики noncontinuum газа будут выделены 
и знания, накопленный в этих моделирования будут обсуждаться. 
26 июня 2003 
Н. А. Модин, наноструктуры и физики полупроводников (1112) М. Chandross и Е. 
Харамильо, материалы и моделирования процессов (1834) 
Название: Моделирование Местные химии при наличии коллективных явлений 
Заключение в наноразмерные поры цеолита сильно изменяет физическое и 
химические свойства малых молекул, таких как вода, аммиак и диоксид углерода. 
Реалистичного моделирования таких явлений требует одновременно захватив детальное поведение 
химических связей и возможность коллективной динамики происходящих в сложный блок 
ячейки (672 атомов в случае цеолита-4А). Это взаимодействие между местными химии и коллективные 
явления характерны для многих важных материаловедения проблемы. Классическая 
моделирование само по себе не могут надежно модели нарушения и формирования химических связей, в то время как 
квантовые методы сами по себе неспособны лечения увеличенной длины и времени масштабах, характерных 
сложной динамики. Поэтому мы приняли смешанных квантовых / классический подход. 
Мы сообщаем наш прогресс в вложения небольшой области обрабатывают Кона-Шема 
теории функционала плотности в рамках более широкой системы представлены классические потенциалов. Мы считаем, 
, что локализованные представления электронной структуры является ключом к достижению эффективных 
вложение, когда ковалентные связи пересекают границу между регионами. Описаны и 
сравнить функций Грина основе и энергии минимизации подходов к решению для 
это локализованные представления, и мы обсуждаем предварительные результаты за поведение воды, 
аммиака и ионов аммония в цеолит-4A. Мы также кратко будущей работы, предложенной 
в ожидании представления ("Исследование химии нанопор Использование Локализованные 
Иерархическая Основа ") для совместного BES / ASCR вызов теории, моделирование и моделирование в 
Нанонауки. 
10 июля 2003 
Джеймс Лэндри, поверхностных и интерфейс наук (1114) 
Название: Физика Силосы и бункеры 
Я изучить формирование и структуру упаковки гранулированных использованием крупномасштабных молекулярной динамики 
моделирования. Трехмерной упаковки создаются путем заливки или осаждения 
, а затем оседают под действием силы тяжести. Конечное состояние упаковки зависит 
сильно зависит от истории строительства. Я сравниваю стресс профилей в этих упаковках для 
Классическая теория Янссен и показать, как отклонение напряжений от формы Янссен является 
, связанные с критерием отказа Кулона. Я также исследовать, как возмущают системы, чтобы заставить 
его классической форме Янссен. 
Хоппер поток в последнее время было предложено много групп, как идеальная система для изучения 
начала помех, как экспериментально, так и путем моделирования. Я представляю полностью трехмерной 
моделирование потока бункера и изучить, как внутренняя структура и сила 
21 
распределения изменения с уменьшением скорости потока.При изменении скорости потока имеют 
лишь незначительное влияние на распределение сил, они имеют большое влияние на распространение импульса. 
Наконец, я расскажу новый различных масштабов моделирования сотрудничества между Сандиа и 
MIT на основе новой модели хоппер потока. 
24 июля 2003 
Честер Вайс, геофизических технологий (6116) 
Название: аномальная диффузия электромагнитных полей в иерархической Media Геологическая 
Точная интроскопии имеет важное значение для большого числа приложений, включая подземные 
Характеристика объекта, мониторинг, поражение и оценка ущерба; ресурсов разведки 
и восстановления (нефть и газ, геотермальная, геологические секвестрации СО2), а также экологические 
характеристика, восстановления и мониторинга. Среди различных геофизических 
изображений в настоящее время методы на практике, те, которые основаны на распространение низкочастотных (<1 
МГц) электромагнитного (ЭМ) поля являются уникальными в своей способности идентифицировать глубоко под землей (более 2 м) 
электропроводящих целей. Однако, основная проблема в использовании низких частот 
ЭМ методов базовое понимание аномального распространения электромагнитной энергии 
в весьма сложной, мульти-геологических масштабах материалов. Все больше данных свидетельствует о том 
что электрическая структура геологических материалов по своей сути фрактал, возникающие в связи с динамической 
Системы, которые генерируются и измененных пород через геологического времени. Эти наблюдения 
Задача применимости обычных макроскопических уравнений Максвелла, которые образуют 
основе всех многомерных численных моделей, используемых для интроскопии EM. Как 
альтернативных, концепций фрактальных сигналов и случайных блужданий через пространственно-коррелированных гетерогенных 
СМИ настоящее время ведется расследование в качестве средства для описания наблюдаемых 
различия в ответах земле EM. Эта структура предполагает, что ЭМ индукции может быть описана 
на изменение, дробного порядка уравнения диффузии на долю которых приходится по своей сути 
комплекса, различных масштабов, иерархическую структуру геологических материалов. 
28 августа 2003 
Гэри Grest, поверхностных и интерфейс науки (1114) 
Название: Распространение динамики полимерных нанокапелек 
Результаты моделирования для распространения полимерных капель будет представлен. Для изучения динамики 
обеих ног прекурсоров и объем капли, крупные капли ~ 200000 мономеров 
моделируются использованием шарик-весна модель полимера. Результаты для распространения на плоских и 
атомистической поверхности будут сравниваться для трех различных длин цепи 10, 20, и 40 мономеров 
в цепи. Сравнение различных применений Ланжевена и диссипативных частиц 
Динамика термостаты также будут представлены. Динамика объема капли подходят для нескольких 
континуальных моделей. Мы находим диффузионного поведения для ног предшественников и хорошо согласуется 
с молекулярно-кинетической модели капли почву с помощью плоской и атомистического поверхностей. 
Несмотря на большой размер системы и долгое время моделирования по сравнению с предыдущими моделирования, не 
доказательств гидродинамического поведения в распространении капли не найдено. 
25 сентября 2003 
Вина Tikare, материалы и моделирования процессов (1834) 
22 
с Майклом Брагинский (1834), Гваделупе Аргуэлло, механике деформируемого твердого тела инженерных 
(9126), и Терри Garino, керамических материалов (1843). 
Название: Численное моделирование спекания в различных масштабах Длина 
Спекание является одним из старейших процессов, используемых человеком для производства материалов, знакомства, как далеко 
еще в 12000 г. до н.э.. В то время как древний процесс, необходимо также для многих современных 
технологий, таких многослойных керамических пакетов, устройства беспроводной связи, и 
многие другие. Процесс состоит из тепловой обработки порошка или компактного при температуре 
ниже температуры плавления основного компонента, с целью повышения ее прочность 
путем соединения вместе частиц. Во время спекания, отдельные связи частиц, пор 
пространство между частицами устранены, в результате компонент может сокращается на целых 30 
до 50% по объему, и это может исказить ее форму огромной. Будучи в состоянии контролировать и прогнозировать 
усадки и формы искажений в процессе спекания была целью многих исследований 
в материаловедении. И это было достигнуто в различной степени многие. Цель этой 
Проект заключается в разработке моделей, которые могли бы имитировать спекания при мезомасштабных и в макромасштабе 
более точно предсказать общее усадки и формы искажений в технике 
компонентов. 
Мезомасштабной модели имитирует микроструктурных эволюции в процессе спекания при моделировании зерна 
роста, пора миграции и укрупнения, и вакансии, распространения и уничтожения. 
В дополнение к изучению микроструктуры, эти моделирование может быть использован для создания учредительных 
уравнений, описывающих усадки и деформации в процессе спекания. Эти учредительные 
уравнений используются континуум конечного элемента моделирования для прогнозирования общей усадки 
и форма искажения спекания кристаллических компактная пудра. Обе модели будут представлены. 
Применение этих моделей для изучения спекания будет показано и обсуждалось. 
Наконец, ограничения этих моделей будет рассмотрен. 
ПРИЛОЖЕНИЕ D - Проект Посетители план по программам 
Стратегия Рост Многомасштабное моделирование Материалы возможности в Sandia 
Джон Aidun, Численные Материалы и молекулярной биологии (9235), М. 0316 
Чарльз Барбор, наноструктуры и физики полупроводников (1112), М. 1415 
Элиот Fang, материалы и моделирования процессов (1834), М. 1411 
Хэнк Westrich, геохимии (6118), М. 0750 
Sandia National Laboratories, 11 февраля 2002 
Справочная информация: 
Сотрудники нескольких ведомств проектов, проводимых что либо разработать и применять многомасштабные методов вычислительной моделирования материалов, начиная от квантовой электроники на молекулярном уровнях. возможности Многомасштабное моделирование важны для моделирования Sandia's и моделирование возможности, но они представляют серьезный вызов, который не может быть универсально решить одним методом. Кроме того, успешные решения, вероятно, будут 
междисциплинарных подходов, которые пересекают-организационных границ. 
23 
Это в интересах Сандиа для нынешних усилий в многомасштабные моделирования материала (MMS) 
процветать, взаимодействуют, и расти. Нашей ближайшей целью является воспитание эти нынешние усилия и способствовать 
связи и взаимодействия между отдельными проектными группами MMS. Дополнительные цели 
моделирование материалов и моделирования (M & S) в Sandia вытекают из этой и некоторых подробно 
ниже. Долгосрочной мерой успеха в этих усилиях для Sandia, чтобы стать признанным 
лидер в области численного моделирования и моделирования материалов. 
Здесь мы предлагаем разработку программы SNL лета визиты старших научных сотрудников в 
области материального моделирования. Мы рассматриваем это как универсальное средство для оказания помощи текущего MMS 
проекты быстро прогрессировать и для обеспечения связи и взаимодействия между этими 
проектных команд, а также с более широким материал M & S сообщества в Sandia. Через 
этой программы мы ожидаем, реализовать многие из преимуществ более скоординированных научных исследований и разработок 
усилия в MMS: R & D работы, имеющие большее влияние и прогрессирует быстрее 
чем совокупность частей в противном случае делать; эти занятия получения большей наглядности 
как внутри, так и внешними по отношению к Сандиа; согласование возможности для устойчивого и более 
финансирования, необходимого для долгосрочного успеха; благоприятных преследования возбуждающего науки 
, что не могло быть сделано без многомасштабные возможностей. Через курортников 
программы мы хотели бы призвать достаточно перекрытия среди множества проектов, либо в технических 
подхода или целевых приложений, для достижения желательного уровня координации этих усилий. 
Хотя широкое распространение, долгосрочная цель состоит в ликвидации от атомистической на временном континууме 
и пространственными масштабами, это сложная задача, которую мы не намерены проводить в полном объеме 
в это время. Вместо этого, мы выбираем сначала сосредоточиться на вычислительных и теоретических методов 
мост времени и пространственными масштабами от дискретных квантовых электронных до дискретной или континуума 
мезомасштабных. Это помогает обеспечить достаточную общность интересов и вопросов, среди 
различные проекты, чтобы сделать это возможным разработать искали взаимодействия и координации. 
Предложено активность - Посещение старший научный сотрудник программы: Летние визиты выбран старшим 
Персонал сотрудничать с конкретным проектом SNL MMS, участие в неофициальной технической группы 
обсуждения, и взаимодействовать с широко SNL сотрудников команды проекта MMS. 
Первоначальный объем - квантовой электроники в мезомасштабных методы моделирования и приложений. 
Цель и тысячелетия 
Немедленно (лето '02) - оказание содействия и поддержки и взаимодействия между 
MMS проектных команд; получить вход со стороны внешних экспертов в этой области; 
Краткосрочной перспективе (FY'02 - FY'04) - Поддерживать программы летом на постоянной основе; содействовать междисциплинарным 
взаимодействия в SNL; установить официальные сотрудничество с внешними 
экспертов; получить доступ к перспективным студентам в области, повышение SNL заинтересованность сотрудников в 
MMS; обеспечить MMS усилий видимости в SNL, разрабатывать внешних клиентов и 
спонсоры. 
Долгосрочные - Развернуть многомасштабные R & D деятельности распространяется на континуум моделирование материалов; 
установить Сандиа как лидер в области (многомасштабные) материал моделирования; разработать дополнительные 
внешних заказчиков и спонсоров; установить внутреннюю организацию, например, LDRD 
Инвестиционной зоне в MMS; (Многомасштабная) Материал Моделирование инициативы, материалы 
M & S института. 
24 
Потенциальные Приглашенные на лето '02 
(Собрать предложения от ИП MMS проекта) 
Текущие проекты MMS 
1. Н. Модин (1112), "Моделирование местных химии в наличии коллективных явлений" 
2. П. Шульц (9235), "калиброванные полуэмпирических методов MD" 
3. Л. Фринк / С. Ремпе (9209), "связанных квантово-классического сольватации моделирования" 
4. Л. Criscenti (6118), "Металл поглощения оксида на поверхности из водных растворов" 
5. С. Foiles (1834), "Защита от коррозии" 
6. Дж. Циммерман (8726) "надежные, связанных подход для моделирования атомистических-континуума" 
Залоговое врезки - Партнеры и Спонсоры 
ЦНИИ; MESA институт; CINT; 
(SNL / CA летом стажер программы); других SNL / CA (?) 
Кампус Исполнительный Prog;. Совместная поддержка РФ (MS & T, СНГ, мкЕ & P) 
Формат Летний Взаимодействия 
1. Еще в самом начале визита каждого приглашенного ученого дает совместный коллоквиум по проекту MMS 
команды на ее / его области интересов и знаний. 
2. Посещение ученые совместно проинформированы о множестве проектов MMS. 
3. Каждый приглашенного ученого работ по проекту MMS (предварительно определен). 
4. Посещение ученых предлагается также искать возможности, чтобы сделать влияние на 
дополнительных проектов MMS. 
5. Проводить еженедельные или раз в две недели неофициальных технических коллоквиумов / обсуждение группы поочередно 
привести каждой из команд MMS проекта. Открыт для всех; MMS проект команды особенно 
предлагается принять участие. 
6. Уезжая домой, каждый приглашенного ученого представляет резюме работу и прогресс, и 
соответствующей документации (технические памятки, песок, журнальной статьи). 
25 
РАСПРОСТРАНЕНИЕ: 
1 0310 Р. Леланд, 9220 
1 0310 М. Д. Ринтоул, 9212 
1 0316 С. Dosanjh, 9233 
1 0316 Дж. Aidun, 9235 
1 0318 П. Яррингтон, 9230 
1 0318 Дж. Нельсон, 9216 
1 0321 W. J. лагеря, 9200 
1 0323 Г. Westrich, 1011 
1 0511 С. Майерс, 1010 
1 0513 Дж. П. Вандевендер, 1000 
1 0750 T. Hinkebein, 6118 
1 0751 Л. Костин, 6117 
1 0819 T. Trucano, 9211 
1 0819 Р. Саммерс, 9231 
1 0825 В. Хермина, 9110 
1 0826 С. Kempka, 9113 
1 0835 М. McGlaun, 9140 
1 0836 М. Бэра, 9100 
1 0847 С. Митчелл, 9211 
1 0847 Г. Морган, 9120 
1 0885 Г. Хеффелфингер, 1802 
1 0885 Д. Salzbrenner, 1801 
1 0887 М. Cieslak, 1800 
1 1110 Д. Уомбл, 9214 
1 1111 Дж. Шадид, 9233 
1 1111 В. Хендриксон, 9215 
1 1186 T. Мельхорн, 1674 
1 1411 H.E. Клык, 1834 
1 1415 В. Gauster, 1050 
1 1415 Н. Шинн, 1114 
1 1415 Дж. С. Барбур, 1112 
1 1427 Дж. Филлипс, 1100 
1 9042 Г. Вагнера, 8752 
1 9161 В. Даже, 8760 
1 9161 Дж. Циммерман, 8763 
1 9161 Е.П. Chen, 8763 
1 9401 Г. Кубяка, 8750 
1 9403 Дж. Грубый, 8700 
1 9405 Д. Уилсон, 8770 
1 9018 Центральной Технические файлы, 8945-1 
2 0899-техническая библиотека, 9616 
26