modeling’mechanics’of’materials’–’ part’1:’rela=on’to ... ·...

44
Izabela Szlufarska Associate Professor Department of Materials Science & Engineering University of Wisconsin – Madison [email protected] Modeling mechanics of materials – Part 1: Rela=on to microstructure Part 2: Accelerated MD simula=ons May 21, 2013 1

Upload: vanthu

Post on 27-May-2018

213 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

Izabela  Szlufarska    

Associate  Professor  

Department  of  Materials  Science  &  Engineering  

University  of  Wisconsin  –  Madison  

[email protected]  

Modeling  mechanics  of  materials  –    Part  1:  Rela=on  to  microstructure  Part  2:  Accelerated  MD  simula=ons  

May  21,  2013  1  

Experiments and simulations can be performed at matching length scales

Atomic Force Microscope (AFM)

Szlufarska, Chandross, Carpick, “Recent advances in single asperity nanotribology” J. Phys. D 41 123001 (2008) 2  

Atomistic simulations

Rough  engineering  contacts   Single  asperity  contacts  

•  Roughness  theories  

•  Scaling  models  

•  Isolate  mechanisms  •  Quan=fy  contribu=ons  to  fric=on  

Challenge  of  MD  =me  scales  

3  

MD  =me  scale  are  set  by  laEce  vibra=ons  

•  Typical  Gme  step  ∆t  ≈  10-­‐15  s  •  Carry  out  106  –  108  steps    ⇒  total  simulated  Gme  1  ns  –  0.1  µs  

Mechanics  studies  •  Typical  sliding  velociGes  in  mechanics  

simulaGons:  0.1  m/s  –  100  m/s  •  Typical  sliding  velociGes  in  AFM  

experiments:  ~  1µm/s  •  Similar  Gme  scale  discrepancies  exist  

for  crack  velociGes  

High  strain  rates  may  lead  to:  •  Higher  dislocaGon  densiGes  than  in  

experiments  •  Change  in  mechanisms  (temperature  

acGvated  fricGon  vs.  ballisGc  fricGon)  •  Exclusion  of  important  phenomena  

(e.g.,  diffusion  and  creep)  

Mechanics  and  Microstructure  

4  

Mechanical  properGes/mechanics     Surface/interfacial  chemistry  

  Environment    Materials  microstructure  

•  Grain  boundary  processes  (migraGon,  sliding,  diffusion)  

•  DislocaGon  dynamics  •  Cracks,  voids  •  Phase  transformaGon  •  Mechanically  induced  phase  

segregaGon  •  2nd  phase  precipitates  •  etc  

Materials  design  

NanoindentaGon,  NanoTribology  

Outline  

1.  KineGc  Monte  Carlo:  applicaGon  to  mechanics  

2.  On  the  fly  KineGc  Monte  Carlo:  applicaGon  to  mechanics  

3.  Green  Kubo  relaGons:  fricGon  at  solid-­‐liquid  interfaces  

4.  Parallel  replica  dynamics:  applicaGon  to  mechanics  

5  

6

∞ Continuum Equations

kMC

MD

Time (s) 10-15 10-12 10-9 10-6 ∞

Leng

th (m

)

10-­‐6  

10-­‐8  

10-­‐11  

Kine=c  Monte  Carlo:    A  Coarse-­‐Grained,  Atomis=c,  LaEce-­‐Based  Technique  for  Condensed-­‐MaSer  Dynamics  

Slide:  Adapted  from  Dane  Morgan  (UW)  

7

MD  of  Co  on  Cu(001):  The  Whole  Trajectory  

kMC:    Coarse-­‐Grained  Hops  between  minima  

Coarse Graining

Kine=c  Monte  Carlo:  Coarse-­‐Graining  MD  

Slide:  Adapted  from  Art  Vother  (LANL)  and  Dane  Morgan  (UW)  

8

Coarse-­‐Graining  for  Kine=c  Monte  Carlo  

•  We  must  reduce  our  system  to  2  key  properGes  – Minima:    These  are  discrete  regions  of  phase  space  that  together  cover  the  phase  space  in  which  the  system  spend  almost  all  of  its  Gme  (these  will  be  local  minima  of  the  potenGal  energy  surface)  

– Rates:    The  probability  per  unit  Gme  of  changing  from  state  i  to  state  j,  denoted  Rij  (this  can  be  determined  from  knowledge  of  energy  barriers)  

9

FCC Atom Migration Barrier by Vacancy Mechanism

Atom Position → <110>

Ene

rgy

GA

Rate  of  transi=on/event:   R =ν exp −GA

kBT"

#$

%

&'

Slide:  Adapted  from  Dane  Morgan  (UW)  

10

MD  of  Co  on  Cu(001):  The  Whole  Trajectory   kMC:    Coarse-­‐Grained  

Hops  between  minima  

Coarse Graining

Minima

Rates of transitions

Kine=c  Monte  Carlo:  Coarse-­‐Graining  MD  

•  Assume  we  know  the  minima,  labeled  i=1,2,3,...  •  Assume  we  know  the  rates  Rij  •  KineGc  Monte  Carlo  (KMC)  allows  one  to  evolve  the  system  in  Gme  by  

hopping  from  one  minimum  to  another  and  correctly  accounGng  for  Gme  that  passed  

Slide:  Adapted  from  Art  Vother  (LANL)  and  Dane  Morgan  (UW)  

Fric=on  of  silica  in  aqueous  environments  

Photo  of  San  Andreas  fault  hip://en.wikipedia.org/  

Shallow  tectonic  earthquake  =  fric=onal  slip  Rate  and  state  fric=on  law  

Two  hypotheses:  •   Contact  area  increase  as  a  funcGon  of  Gme  (Mechanical  DeformaGon)  •   Adhesion  in  the  contact  increases  as  a  funcGon  of  Gme  (Change  of  Chemistry)    

What  is  the  state  variable  θ?  What  fundamental  process  is  responsible  for  =me  

evolu=on  of  fric=on?     11  

Earthquakes   Wafer  bonding  

K.  Turner  (Upenn)  

Ageing  in  Single  Asperity  Contacts  

Ageing  ∆f  increases  logarithmically  with  the  holding  =me  

[1]  Li,  Q.,  T.  E.  Tullis,  D.  Goldsby,  R.  W.  Carpick,  (2011).  Nature  480(7376):  233-­‐236  

•   Ageing  observed  in  the  absence  of  plas=c  deforma=on  

•   Support  the  hypothesis  about  chemical  ageing  

Slide-­‐hold-­‐slide  experiments:  staGc  fricGon  depends  on  the  holding  Gme  

1.  what  molecular  level  processes  are  responsible  for  ageing  and    2.  why  there  is  logarithmic  dependence  on  holding  =me?  

12  

Hypothesis:  Siloxane  Forma=on  Across  the  Interface  

2.  Silica  structures   3.  Simula=on  methods  

-­‐ MD  simulaGon  using  LAMMPS  based  on  Reaxff  force  field  for  amorphous  interface      -­‐ Density  Func2onal  Theory  simulaGon  using  VASP  based  on  pseudo  potenGals  for  quartz  surface  

Amorphous  SiO2  

Quartz  

1.  Simula=on  approach  

a.  Bring  two  surfaces  together   b.  Allow  siloxane  to  form  

13  

Si-­‐OH  +  Si-­‐OH    →  Si-­‐O-­‐Si  +  H2O  

Amorphous  silica  surfaces  –  ReaxFF  MD  

•  Interface  of  5nm  x  5nm  in  size,  which  is  comparable  to  experimental  contact  area.  •  ReacGons  on  different  sites  are  not  independent  of  each  other  

•   InteracGon  strength  is  randomly  distributed  as  a  result  of  amorphous  surface  structure.  •   InteracGon  is  strongly  biased  toward  increase  of  energy  cost.  

EinteracGon  =  ∆E2  –  ∆E1  

O  

Si  

Si  

O  

Si  

Si  

Si  

O  

H  

H  O  

Si  

Si  

O  

H  

H  O  

Si  

Si  

O  

H  

H  O  

Si  

O  

Si  

Si  

∆E1  

Si  

O  

H  

H  O  

Si  

O  

Si  

Si  

∆E2  

EinteracGon  >  0:  barrier  higher  due  to  interacGons  EinteracGon  <  0:  barrier  lower  due  to  interacGons  

A

A

A

A

B B

B B

Si  

Si  

Si  

Si  

Si   Si  

Si  Si  

Si  

Si  

Si  

Si  

Si  Si  

Si   Si  

O   O  O  

O  

O  

O  

O   O  

O   O  

O  

O  H  

H  

H  

H  H  

H  

H  

H  

14  

Quartz  surfaces  –  Ab  ini.o  calcula=ons

“para”  

① ②

1.  Reac=on  energy  of  the  second  siloxane  is  influenced  by  the  existence  and  orienta=on  of  already  formed  siloxane.      

“anG”  

① ②

•   Pressure  dependence  of  the  reacGon  energy    • InteracGon  is  biased  toward  increase  of  energy  cost.  •   InteracGon  is  orientaGon  dependent.  

2.  Characteris=cs:  

3.  What  is  the  physics  underlying  the  interac=on?     ElectrostaGc:    Direct  Coulomb  or  dipole  interacGon  between  bridges     ElasGc  :  ReacGon  is  influenced  by  previously  formed  siloxane  induced  deformaGon  

IndentaGon    Depth  [Å]  In

teracGon

 ene

rgy  [eV]  

Parallel  

An=-­‐parallel  

O  

Si  

Si  

O  

Si  

Si  

O  

Si  

Si  

O  

Si  

Si  

O   O   O   O  

Si  

Si  Si  

Si  Si  

Si  Si  

Si  

15  

Hypothesis  1:  Electrosta=c  Interac=on  

WITH  SURROUNDING  BULK    (ELASTIC  +  ELECTROSTATIC)  E  (parallel)  –  E(anGparallel)  =    0.483  eV  

Direct  electrosta=c  interac=ons  excluded.  

WITHOUT  SURROUNDING  BULK  (ELECTROSTATIC)  E  (parallel)  –  E(anGparallel)  =    0.003  eV  

IndentaGon  Depth  [Å]  In

teracGon

 ene

rgy  [eV]  

Parallel  

An=-­‐parallel  

16  

Hypothesis  2:  Elas=c  Deforma=on  of  Bulk  

•  We  calculated  the  elasGc  energies  using  empirical  potenGal  developed  by  Leeuw  [6].    

   •  ElasGc  energy  matches  with  ab  ini2o  calculated  

energy  difference  

•  InteracGon  is  mediated  by  deformaGon  of  bond  angles  of  tetrahedra  in  the  SiO2  structure  

•  FormaGon  of  one  bridge  on  the  average  sGffens  the  structure  and  makes  it  harder  for  other  bridges  to  form  

Si  

O   O  θ  

EelasGc  =  f(θ-­‐θ0)  

IndentaGon  Depth  [Å]  In

teracGon

 ene

rgy  [eV]  

Parallel  

An=-­‐parallel  

∆  Int.  en

ergy  [e

V]  

IndentaGon  depth  [Å]  

17  

Y. Liu and I. Szlufarska, Chemical origins of frictional ageing, Physical Review Letters (2012)

Rela=on  between  chemistry  and  fric=on  

For  ionic-­‐covalent  materials  that  from  strong  direcGon  bonds,  fricGon  force  is  linear  with  the  number  of  strong  bonds  formed  across  the  interface  

Y. Mo, K.T. Turner, I. Szlufarska, Nature 457, 1116-1119 (2009) Y. Mo, M. Muser, I. Szlufarska, Phys. Rev. B, 80, 155438 (2009)

C C C C C C C

C C C C C C C

H H H H H

H H H HH

Silica  problem:  •  MD  is  too  short  to  simulate  

chemical  reacGons  over  ms,  seconds  and  longer  

•  FricGon  is  linearly  dependent  on  the  number  of  strong  bonds  formed  across  the  interface  

•  Determine  reacGon  rates  –  use  analyGcal  theory  and  KMC  

18  

The  Mystery  of  Reac=on  Rate

L.  Prandtl,  Z.  Angew.  Math.  Mech.  8,  85  (1928).  

Prandtl  showed  analyGcally  that  relaxaGon  of  interfaces  for  kineGc  fricGon  shows  log  behavior:  

Fric=o

n  

Log  of  =me  [log(s)]  

Sliding  

•  Interfacial  reac=on???  

•  Simple  reac=on  (reactants  concentra=on  is  constant):  

[C]t = [C]0 + kt

•  Typical  surface  reac=on:  

[C]  vs  =me  is  exponen=al  

[A]t = [A]0 exp(−kt)

[C]t =1−[A]0 exp(−kt)

[C]  vs  =me  is  linear  

k =ν exp −Eb

kBT"

#$

%

&'

19  

•  First  contact:  high  fric=on  due  to  interlocking  

•  Elas=c  relaxa=on  of  asperi=es  -­‐>  lower  frc=on  

The  Mystery  of  Reac=on  Rate Liu  and  Szlufarska,  Chemical  origins  of  fric2on  aging,  Phys.  Rev.  Lei.  109,  186102  (2012)    

Prod

uc=o

n  

Log  of  =me  [log(s)]  

•  Relaxa=on  events  =  formaGon  of  chemical  bonds  •  First  contact:  Low  fricGon  (no  bonding)  •  With  =me:  bonding  increase  fricGon  

20  

If  distribu=on  of  barriers  is  uniform  

Then  concentra=on  of  bonds  (fric=on)  increases  logarithmically  

with  =me  

The  Mystery  of  Reac=on  Rate Liu  and  Szlufarska,  Chemical  origins  of  fric2on  aging,  Phys.  Rev.  Lei.  109,  186102  (2012)    

Prod

uc=o

n  

Log  of  =me  [log(s)]  

21  

DistribuGon  of  barriers  from  simulaGons  

Is  it  valid?  

•  Relaxa=on  events  =  formaGon  of  chemical  bonds  •  First  contact:  Low  fricGon  (no  bonding)  •  With  =me:  bonding  increase  fricGon  

If  distribu=on  of  barriers  is  uniform  

Then  concentra=on  of  bonds  (fric=on)  increases  logarithmically  

with  =me  

Inside  the  black  box:  Kine=c  Monte  Carlo  Model  

1.  Every  site  starts  with  the  energy  barrier  Eb  that  follows  a  certain  distribuGon    

2.  The  interacGon  between  sites  determined  by  ΔEb∈[e1,  e2].  

3.  We  randomly  choose  ΔEb  for  each  pair  of  sites  

•   KMC  model  

3   2   3  

2   1   2  

3   2   3  

When  one  siloxane  is  formed  (at  site  1  here)

3   2   3  

2   1   2  

3   2   3  

Update  surrounding  barriers  (increase/decrease)

3   2   3  

2   1   2  

3   2   3  

Form  another  siloxane  based  on  new  barriers

22  

Time  evolu=on  of  the  concentra=on  of  siloxane  bridges  

•  There  is  always  a  log  regime,  but  it  can  be  short  •  Interac=ons  extend  the  log  regime  •  Interac=ons  flaSen  the  distribu=on  of  energy  

barriers  and  shim  it  to  larger  barriers  •  Within  the  range  of  physically  jus=fiable  

parameters,  it  is  possible  to  match  experimental  data  

Exp.  Time  

Pressure-­‐contolled  distribu=on  

23  

Distribu=on  from  simula=ons  

Outline  

1.  KineGc  Monte  Carlo:  applicaGon  to  mechanics  

2.  On  the  fly  KineGc  Monte  Carlo:  applicaGon  to  mechanics  

3.  Green  Kubo  relaGons:  fricGon  at  solid-­‐liquid  interfaces  

4.  Parallel  replica  dynamics:  applicaGon  to  mechanics  

24  End  3  

No  event  list  beforehand?  

•  What  if  we  couldn’t  get  the  event  for  each  KMC  step  beforehand?  •  This  is  true  for  some  complex  systems:  •  Ex1:  simulaGon  of  amorphous  material  

  most  atoms  do  not  sit  on  a  regular    la�ce,  which  makes  it  difficult  to  define  events  beforehand  

•  Ex2:  migraGon  of  intersGGal  clusters    Several   intersGGals   are   strongly  bonded   to  each  other,   so  one   single  

step  may  require  a  coordinated  movement  of  these  atoms  

•  Generate  events  on  the  fly!  •  Several  techniques  have  been  developed  to  handle  such  problems,  

and  they  can  be  classified  into  two  categories:  •  Open-­‐ended  techniques  do  not  require  knowledge  of  the  final  state  

a  propri:  acGvaGon-­‐relaxaGon  technique(ART),  dimer  method;  

25  

Ac=va=on-­‐Relaxa=on  Technique  (ART)  

•  ART   is   an   open-­‐ended   saddle   point   searching   method.   When  combined  with  KMC  algorithm,   it   can  enable   long  Gme  scale  KMC  simulaGons   without   la�ce   approximaGon   and   predefined   event  list.  

•  Given   the   iniGal  minima,   ART   can   search   nearby   saddle   points   by  walking  through  the  following  3  steps:  

•  Step  1:  leave  local  minima  •  Step  2:  find  saddle  point  •  Step  3:  relax  into  new  minima  

Mousseau, N. (2012). "The Activation-Relaxation Technique: ART Nouveau and Kinetic ART." Journal of Atomic, Molecular, and Optical Physics 2012: 925278.     26  

ART  Step  1:  leave  local  minima  

Make  random    displacement  on  selected  atoms  

Relax  other  atoms  to  avoid  unphysical  stress  build  up  

Calculate  the  lowest  eigenvalue    of  Hessian  matrix    

Nega=ve  eigenvalue?  

Lem  local  minima  Go  to  Step  2  

Hessian  Matrix:  

Yes  

No  

Hij =∂2E∂xi∂x j

i, j = 1,...,3N{ } 27  

ART  Step  2:  find  saddle  point  

Calculate  the  eigenvector  of  the  lowest  eigenvalue  

Push  selected  atoms  along  this  vector  while  relax  others  

Calculate  the  total  force  on  the  system  

Force<  threshold?  

Found  saddle  point  Go  to  Step  3  

Yes  

No  

28  

ART  Step3:  relax  into  new  minima  

Calculate  the  displacement  from  ini=al  minima  to  saddle    

Push  atoms  ~20%  of  this  displacement  further  away  

Relax  system    by  any  chosen  relaxa=on  algorithm  

Force<  threshold?  

Relaxed  into  new  minima  End  

Yes  

No  

29  

Kine=c  ART  (K-­‐ART)  

•  A   combinaGon   of   KMC   algorithm  and  ART;  

•  GeneraGng   event   list   is   the   most  expensive  step  in  K-­‐art;  

•  Speed  up:  •  Can   use   empirical   potenGal  

instead  of  ab  iniGal  calculaGons  to  speed  up.  

•  Can   apply   topology   analysis   to  categorize   local   configuraGons,   so  that   ART   could   work   only   on   few  iniGal  minima.  

 

Ini=al  configura=on  

Generate  event  list  by  calling  ART  a  certain  =mes  

Calculate    rate  of  each  event  and  the  total  rate  

Enough  steps?  

End  Yes  

No  

Select  one  event  Update  =me  

30  

Example:  Relaxa=on  of  amorphous  materials  

•  Relaxa.on  of  an  ion-­‐bombarded  c-­‐Si  •  SimulaGon   se�ngs:   100,000   c-­‐Si   atoms   bombarded   by   3keV   Si  

atom  at  300K,  then  annealed  for  900ps  by  MD.  •  The  system  is  structurally  too  complex  to  know  the  events  a  priori  

(for  standard  KMC).  TradiGonal  MD  simulaGon  cannot  reach  such  a  long  Gme  scale  (µs  or  longer)  

Ini2al  configura2on  of  an  ion-­‐bombarded  c-­‐Si   Energy  of  the  system  and  number  of  topologies  as  a  func2on  of  simula2on  2me    

Jean-François Joly, L. K. B., Peter Brommer, Fedwa El-Mellouhi et Normand Mousseau (2012). "Optimization of the Kinetic Activation-Relaxation Technique, an off-lattice and self-learning kinetic Monte-Carlo method " Journal of Physics: Conference Series Series 341: 012007. 31  

Outline  

1.  KineGc  Monte  Carlo:  applicaGon  to  mechanics  

2.  On  the  fly  KineGc  Monte  Carlo:  applicaGon  to  mechanics  

3.  Green  Kubo  relaGons:  fricGon  at  solid-­‐liquid  interfaces  

4.  Parallel  replica  dynamics:  applicaGon  to  mechanics  

32  End  

•  Slip  velocity:  the  velocity  difference  at  liquid/solid  interface.    •  Slip  length:  the  extrapolated  length  where  the  velociGes  of  liquid  and  solid  

match,  also  the  inverse  of  fricGon  coefficient.  

Slip  at  the  solid/liquid  interface  

33  

0.1 nm 1 nm 10 nm 100 nm 1000 nm

Length scale

hydrophilic   hydrophobic  

Roach P. et al, Langmuir 23, 9823-9830 (2007)

l

0υx

z  

( ) 0=− lυ

coefffrictionviscosity

==ηηl

•  Existence  of  slip  is  now  accepted,  but  the  effects  of  surface  and  liquid  condiGons  on  slip  are  sGll  poorly  understood  

•  Understanding  slip  is  criGcal  for  micro  and  nanofluidics  

Measuring  slip  is  challenging  Experiments:  •  AFM:  accurate  but  indirect    •  Velocimetry  technique:  direct  but  

not  accurate.      

34  Peter  A.  Thompson  &  Sandra  M.  Troian  NATURE  |VOL  389  |  25  SEPTEMBER  1997  

Simula=ons:  •  Non-­‐linear  effect  in  non-­‐equilibrium  molecular  dynamics  (NEMD)  simulaGons.  •  Large  staGsGcal  error  at  low  shear  rates    

lf ⇔*

Olga  I.  Vinogradova,  Langmuir  1995,11,  2213-­‐2220  

Olga  I.  Vinogradova,    et  al,  PRL  102,  118302  (2009)  

Scaiered  results  in  slip  measurement  

Mass  transport  in  carbon  nanotubes    

35  

Kannam  et  al.  J.  Chem.  Phys.  138,  094701  (2013)  

How  to  overcome  the  =me  scale  problem?  

36  

Goal:  Develop  a  model  that  allows  calculaGons  of  fricGon  coefficient/slip  length  from  MD  simulaGons  and  that  is  not  limited  by  the  simulaGon  Gme  scales  

Non-­‐equilibrium  MD:  Simulate  a  dynamic  response  to  an  external  force/perturbaGon  

Equilibrium  MD:  Determine  fluctuaGons  of  the  

system  at  equilibrium  

Linear  response  theory:  One  can  calculate  the  transport  coefficients  of  a  slightly  perturbed  system  from  the  fluctuaGons  of  the  same  system  at  its  equilibrium  state  (Green  Kubo  relaGons).  

Huang  and  Szlufarska,  To  be  submiied  (2013)  

•  Diffusion/mobility                velocity  autocorrelaGon  

       External  force/perturbaGon  =  concentraGon  gradient  

•  Liquid/solid  fricGon  coefficient  (drag  force)        ???  

Green-­‐Kubo  (GK)  relaGons  

37  

Non-­‐equilibrium  MD:  Simulate  a  dynamic  response  to  an  external  force/perturbaGon  

Equilibrium  MD:  Determine  fluctuaGons  of  the  

system  at  equilibrium  

High   Low  

vi(0)  

vi(t)  

New  Green-­‐Kubo  relaGon  

η = −Fsu

ηtot =1A

ηii∑ηi =

Fi (0)Fi (t) ECdt

0

kBT − Fi (0)ui (t) ECdt

0

Coefficient  of  fricGon  (non-­‐equilibrium)  can  be  related  to  fluctuaGons  in  force  Fi  

Equilibrium  (new  expression)   Non-­‐equilibrium  sliding  (standard  MD  simulaGons)  

38  

ValidaGon  from  MD  simulaGons  

39  

•  LAMMPS  •  Liquid:  Hard-­‐sphere  and  spring-­‐bead  flexible  polymer  (length  12,  100)  

(48000  atoms)  •  Solid:  Lennard  Jones  potenGal  fcc  crystal  •  10  independent  runs  to  reduce  noise  

39  

Equilibrium  (new  expression)   Non-­‐equilibrium  sliding  (standard  MD  simulaGons)  

Comparison  of  NEMD  and  EMD  results  

40  40  

N=12,  ε=0.6  

Equilibrium    (GK  relaGon)  

Non-­‐equilibrium  (sliding)  

•  Very  efficient:  equilibrium  simulaGon  is  500  Gmes  faster  than  a  single  non-­‐equilibrium  calculaGon  

•  This  technique  can  be  used  for  fast  screening  of  surface  chemistry  to  design  opGmized  interface  

•  Excellent  agreement  validates  the  modified  Green  Kubo  relaGon  •  Agreement  for  a  variety  condiGons  indicates  that  the  relaGonship  is  

universal  

Outline  

1.  KineGc  Monte  Carlo:  applicaGon  to  mechanics  

2.  On  the  fly  KineGc  Monte  Carlo:  applicaGon  to  mechanics  

3.  Green  Kubo  relaGons:  fricGon  at  solid-­‐liquid  interfaces  

4.  Parallel  replica  dynamics:  applicaGon  to  mechanics  

41  

Parallel  Replica  Dynamics  Simula=ons  of  Fric=on  

42  

Li,  Dong,  Perez,  MarGni,  Carpick,  Phys.  Rev.  Lei.  106,  126101  (2011)  

•  The  same  materials  and  system  geometry  in  simulaGons  and  experiments  

•  SimulaGons  with  sliding  velociGes  up  to  mm/s,  reducing  the  gap  between  simulaGons  and  experiments  from  6  to  3  orders  of  magnitude  

•  Technique  applicable  to  crystalline  well-­‐defined  interfaces  (where  it  is  easy  to  idenGfy  a  rare  event/transiGon)  

•  In  the  current  form  is  not  applicable  to  more  complex  interfaces  (e.g.,  larger  amorphous  Gps)  

Summary:  Accelera=ng  MD  simula=ons  for  mechanics  

43  

•  Many  techniques  have  been  developed  for  acceleraGng  MD  simulaGons  

•  A  number  of  these  techniques  are  applicable  to  mechanics  problems  

•  ApplicaGon  of  accelerated  techniques  to  mechanics  problems  is  not  always  possible    

•  There  is  no  one  universal  technique  that  can  be  applied  to  all  problems  

Thank You The END

44