超音速汽車你敢坐嗎？高超音速行駛的車輛受到周圍空氣中冰晶和塵埃顆粒的轟擊時，使得表面材料容易受到損害，比如如每次微小碰撞時都會發(fā)生侵蝕和濺射。

伊利諾伊大學香檳分?？茖W家對這種相互作用進行了研究，每次一個分子，以了解過程，然后放大數(shù)據(jù)，使其與需要更大規(guī)模的模擬兼容。博士生Neil Mehta與Deborah Levin教授一起研究了兩種通常用于細長體外表面的不同材料——光滑的石墨烯和粗糙的石英。

在該模型中，這些材料受到由氬原子、硅原子和氧原子組成的聚集體轟擊，以模擬冰和塵埃顆粒撞擊兩種表面材料。這些分子動力學研究讓我們知道粘在表面上的東西，造成的損傷，以及造成損傷所需的時間，所有這些都只有一個埃大小，基本上就是一個原子的長度。為什么這么?。恐匾氖菑摹暗谝辉怼比胧?，徹底了解冰和二氧化硅對石墨烯和石英表面的侵蝕作用。但模擬流體動力學使用的長度是幾毫米微米到厘米，因此迫切需要擴大MD模型的物理性能。

這項研究令人興奮的是，它是有史以來第一次在這個應用程序中這樣做。不幸的是，不能僅僅從這個非常微小的埃級別獲得結果，然后將其用于航空航天工程再入飛行器的計算。不能直接從分子動力學跳躍到計算流體動力學，它需要更多的步驟。應用動力學蒙特卡羅技術的嚴密性，在這個非常小的尺度上取得了細節(jié)，并分析了主導趨勢，以便更大的模擬技術可以在模擬高超音速飛行中，發(fā)生的表面過程演變建模程序中使用它們，例如侵蝕、濺射、點蝕。

這些過程將以什么速度發(fā)生，這些類型的損害發(fā)生可能性有多大，這是其他動力學蒙特卡洛或規(guī)模橋梁之前沒有使用過的關鍵特征。這項研究是獨特的，因為它結合了氣體-表面相互作用的實驗觀察和分子動力學模擬，以創(chuàng)建可應用于所有這些表面的“第一原理”規(guī)則。例如，冰有形成薄片，冰晶的傾向。它產(chǎn)生了分形圖案，因為冰喜歡粘在另一塊冰上，所以水蒸氣更有可能凝結在已經(jīng)在表面上的冰粒旁邊，并創(chuàng)造出類似格子的特征。

而沙子只會散開，它沒有任何偏好，所以一個規(guī)則就是冰喜歡粘在其他冰上。同樣，對于降解，石墨烯的原理是，損傷更有可能發(fā)生在預先存在的損傷旁邊。有幾條規(guī)則，取決于使用的材料，可以實際研究從原子水平到微米級的情況，然后利用研究結果在計算流體力學或任何長期的大規(guī)模模擬中實施。這項研究的一個應用是研究如何為高度接近100公里的細長車輛和小衛(wèi)星設計熱保護系統(tǒng)，其研究成果現(xiàn)發(fā)表在《化學物理》期刊上。

博科園｜研究/來自：伊利諾伊大學厄本那-香檳分校

參考期刊《化學物理》

DOI: 10.1063/1.5117834

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