Multiscale design of supermaterials: frontier for high-performance engineering

Abstract

Actualmente, hay una falta de herramientas computacionales para predecir el daño sufrido por los materiales nanoestructurados y su comportamiento en condiciones de trabajo severas como las que se esperan en las paredes de las cámaras de reacción en fusión nuclear o el blindaje de los satélites espaciales. Esta tesis intenta llenar este vacío mediante el desarrollo de un marco de modelado predictivo para optimizar el diseño de materiales que muestren una resistencia mejorada al daño y propiedades mecánicas excepcionales con aplicación en sistemas de ingeniería avanzada. Como enfoque innovador, se propone una metodología multiescala para testar materiales nanoestructurados trabajando en ambientes realistas que combina técnicas como la teoría del funcional de la densidad, dinámica molecular y el método de los elementos finitos (DFT, MD y FEM, respectivamente, por sus siglas en inglés).

Currently, there is a lack of computational tools to predict the damage suffered by nanostructured materials as well as their performance under severe operating conditions such as those expected in the walls of reaction chambers in nuclear fusion or the shielding of space satellites. This thesis attempts to fill this gap by developing a framework of predictive modeling to optimize the design of materials that exhibit improved resistance to damage and exceptional mechanical properties for application in advanced engineering systems. As an innovative approach, a multiscale methodology is proposed to test nanostructured materials working within realistic environments which combines techniques like density functional theory (DFT), molecular dynamics (MD) and finite element method (FEM).