07.01.2022 - The Pennsylvania State University

Wissenschaftler entwickeln neues Software-Tool zur Unterstützung der Materialmodellierungsforschung

Open-Source-Software erspart mühsame Hintergrundrecherchen zu Materialeigenschaften

Ein neues Software-Tool kann die materialwissenschaftliche Forschung beschleunigen, indem es mühsame Hintergrundrecherchen zu Materialeigenschaften überflüssig macht. Forscher der Penn State und der Sandia National Laboratories stellten kürzlich propSym vor, eine Open-Source-Software auf der Programmierplattform MATLAB, mit der sich die grundlegenden Konstanten berechnen lassen, die zur Beschreibung der physikalischen Eigenschaften von Festkörpern wie Metallen, Keramiken oder Verbundwerkstoffen benötigt werden.

Die Forscher geben die physikalischen Eigenschaften und die Struktur eines Materials ein, und das Programm erzeugt die fundamentalen Eigenschaftskonstanten - Schlüsselwerte, die Forscher für die Modellierung verschiedener Materialien benötigen.

"Einige physikalische Modelle enthalten Hunderte oder Tausende von redundanten Komponenten, die das Modell erdrückend machen können", so Anubhav Roy, Doktorand in Ingenieurwissenschaften und Mechanik am Penn State College of Engineering und Erstautor der Arbeit. "Das Programm ist in der Lage, die Anzahl der Komponenten für jede physikalische Eigenschaft, die mit Festkörpern mit inhärenter kristalliner Symmetrie verbunden ist, erheblich zu reduzieren.

Die Forscher entwickelten propSym, dessen Einzelheiten im Journal of Applied Crystallography veröffentlicht wurden, nachdem sie in einer separaten gemeinsamen Studie mit den Sandia National Labs keine zuverlässigen Informationen über Langasit - ein Material, das in Sensor- und Energiegewinnungsgeräten verwendet wird - finden konnten.

"Traditionell findet man die Beziehungen zwischen Fundamentalkonstanten und Materialsymmetrien nur in Anhängen von Lehrbüchern oder in Tabellen in Zeitschriftenartikeln", sagte Christopher Kube, Assistenzprofessor für Ingenieurwissenschaften und Mechanik an der Penn State, der das Projekt leitete. "Nach einer gründlichen Suche waren wir nicht in der Lage, Referenzdaten für mehrere nichtlineare Materialeigenschaften von Langasit zu finden. Wenn Daten vorhanden waren, fanden wir Tippfehler und Unstimmigkeiten in den Referenzen. Falsche Eingabedaten können ein Modell ruinieren".

Kube und seine Mitarbeiter nutzten propSym, um die Eigenschaften von Langasit zu bestimmen, etwa die Elastizität und die Fähigkeit, elektrische Ladung zu speichern. Kube betonte jedoch, dass das Programm nicht nur auf diese beiden Eigenschaften beschränkt ist.

"Die Software lässt sich an nahezu jede interessante physikalische Eigenschaft anpassen; die Möglichkeiten sind wirklich endlos", sagte Kube. "Letztendlich hoffe ich, dass propSym dazu beiträgt, die Einstiegshürde für die analytische Modellierung von komplexem physikalischem Verhalten zu senken. Viele moderne Probleme in den Wissenschaften werden oft als zu schwierig für analytische Modelle angesehen, ohne dass ein analytischer Ansatz ernsthaft in Betracht gezogen wird."

PropSym ist quelloffen und für jeden, der MATLAB besitzt, zum Download verfügbar.

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