新代码将微观洞察与宏观世界联系起来
发布时间：2026-01-27 17:19:43 阅读数： 275
劳伦斯·利弗莫尔国家实验室的研究人员将微观的原子尺度模拟（右图）与描述宏观世界的流体动力学代码（中图）相结合。该结果可用于研究国家点火装置（左图）的聚变靶。
在惯性约束聚变中，燃料胶囊的初始温度接近零度，压力接近真空。当激光压缩燃料以引发聚变时，燃料温度会迅速升高至数百万度，压力达到与太阳核心相近的程度。整个过程在极短的时空范围内完成。
为了理解这一过程，科学家需要了解目标腔室内的温度和压力等宏观条件。但他们也需要了解腔室内物质（以及原子）的详细信息。迄今为止，计算机模型一直难以弥合此类实验中遇到的各种条件之间的信息鸿沟。
新的仿真框架弥合了差距
在《物理评论 E》上发表的一项研究中，劳伦斯利弗莫尔国家实验室 (LLNL) 和加州大学戴维斯分校的研究人员创建了一个新的框架，该框架将微小的原子级模拟与描述宏观世界的代码耦合在一起，所有这些都在同一个模拟中。
“我们讨论的是纳米级的原子，而另一方面，则是米级的大尺度流场，”加州大学戴维斯分校博士候选人蒂姆·林克说道，他目前在劳伦斯利弗莫尔国家实验室进行驻场研究。“这两者之间的联系在于材料。”
为了实现这一目标，研究团队将劳伦斯利弗莫尔国家实验室 (LLNL) 的流体动力学代码与桑迪亚国家实验室的分子动力学代码相结合。前者描述了宏观环境条件及其在特定位置随时间演变的过程。这些信息被输入到后者中，后者计算材料中单个原子如何响应这些条件。这项工作的一个关键优势在于：两种模拟可以同时运行。原子级模拟与大规模代码“实时”同步进行。
计算挑战和更广泛的应用
运行该框架需要强大的计算能力。在其他系统上遇到难以克服的瓶颈后，作者专门调整了代码，使其能够与劳伦斯利弗莫尔国家实验室（LLNL）的图奥勒米超级计算机的加速处理单元架构兼容，该架构模拟了其百亿亿次级姊妹系统埃尔卡皮坦的架构。
该方法可能具有广泛的应用前景，从研究聚变到行星科学，再到小行星撞击等天体物理现象。
“这篇论文非常概括，我们特意保持了这种概括性，因为我们可以深入探讨相变、缺陷、化学反应，或者各种需要这种微观洞察力才能与宏观世界联系起来的事情，”林克说。
未来研究和见解的潜力
对于在模拟过程中逐渐演变为不同化学成分的系统，这种新方法尤其有用。
“国家点火装置中使用的湿泡沫靶就是这种情况。这些靶最初是由泡沫和氘组成的微观混合系统，但随着系统被压缩和加热，化学键最终会断裂，”劳伦斯利弗莫尔国家实验室科学家兼作家塞巴斯蒂安·哈梅尔说。“系统会变得更加原子级混合，更加均匀。”
该代码提供了一种更好地理解此类场景的材料特性的途径。
“这为新的应用打开了大门，利用原子级的洞察力，可以同时模拟非平衡材料行为（包括相变（例如，从液态到固态）和化学反应）与流体动力学，这是这项研究的下一个阶段，”劳伦斯利弗莫尔国家实验室科学家兼作家丹·斯特本茨说。
