Statistical Physics of Design: Materials to Macroscale

设计的统计物理:材料到宏观尺度

基本信息

  • 批准号:
    RGPIN-2019-05655
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 2.4万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    加拿大
  • 项目类别:
    Discovery Grants Program - Individual
  • 财政年份:
    2021
  • 资助国家:
    加拿大
  • 起止时间:
    2021-01-01 至 2022-12-31
  • 项目状态:
    已结题

项目摘要

My discovery grant program will develop new statistical physics based approaches for studying and identifying commonalities and basic phenomena among design problems that span microscopic details of nanostructured materials and macroscale objects and systems. Since 2015, my students and I have developed new approaches based on the statistical mechanics of extended ensembles to study problems in design. We introduced "Digital Alchemy" to achieve rational, inverse design in soft colloidal materials, and we introduced "Systems Physics" to elucidate basic phenomena in industrial design. We have shown that common mathematical and physical principles underlie design in nanometre sized particles and in ships hundreds of metres in size. Work in my group under this DG proposal will elucidate these principles in broader classes of materials and in complex systems. This program will lead to deeper understanding of fundamental challenges in design and open new forms of conversation between physics and engineering. My aims under this proposal are to: - Develop new means to promote reconfigurability, upgradability, and flexibility across a broad range of design problems, ranging from robust logistics networks to switchable nanomaterials. - Develop approaches to understand, quantify, and communicate how constraints affect decision making in complex systems. - Develop approaches for identifying and quantifying key design drivers across a range of problem types. - Develop open-source software that achieves the above aims for use by the broader community. - Continue to provide a training environment that uses a broad base of problem types to actively stimulate HQP to think about how research questions and themes stretch beyond their immediate work. My group will carry out this program by using the common approach of extended statistical ensembles. We will use these ensembles to re-frame design problems to reveal different levels of design freedom. We will study statistical descriptions of design problems from multiple perspectives and quantify the effects on decision making. We will study how moving between micro- and macroscopic descriptions of design problems influences understanding of problem specification, particularly on the interaction between subsystems. We will develop new computer simulation techniques, and new applications of tensor networks. This program will bring new techniques to the colloid science community in Canada, and will provide new tools and language to inform decision making in complex systems. These new techniques and tools can inform engineers in industry and at the Department of National Defence. I will provide 15 HQP with a rigorous, training in broadly applicable mathematical, computing, and data science techniques, and prepare them for a range of careers that leverage their advanced skills in industry and academia.
我的发现补助金计划将开发新的统计物理为基础的方法,用于研究和识别设计问题之间的共性和基本现象,这些问题跨越纳米结构材料和宏观尺度物体和系统的微观细节。自2015年以来,我和我的学生们开发了基于扩展集合统计力学的新方法来研究设计中的问题。我们介绍了“数字炼金术”,以实现合理的,在软胶体材料的逆向设计,我们介绍了“系统物理学”,以阐明工业设计中的基本现象。我们已经证明,在纳米大小的粒子和数百米大小的船舶设计的基础上,共同的数学和物理原理。我的小组在这个DG提案下的工作将在更广泛的材料类别和复杂系统中阐明这些原则。该计划将导致更深入地了解设计中的基本挑战,并打开物理学和工程学之间对话的新形式。我的目标是:-开发新的手段,以促进可重构性,可重复性和灵活性,跨越广泛的设计问题,从强大的物流网络到可切换的纳米材料。- 开发方法来理解,量化和沟通约束如何影响复杂系统中的决策。- 开发方法来识别和量化一系列问题类型中的关键设计驱动因素。- 开发实现上述目标的开源软件,供更广泛的社区使用。- 继续提供一个培训环境,使用广泛的问题类型,积极激励HQP思考研究问题和主题如何超越他们的直接工作。我的小组将通过使用扩展统计集成的通用方法来执行这个程序。我们将使用这些集合来重新构建设计问题,以揭示不同层次的设计自由。我们将从多个角度研究设计问题的统计描述,并量化对决策的影响。我们将研究如何移动之间的微观和宏观的设计问题的描述影响理解的问题规范,特别是子系统之间的相互作用。我们将开发新的计算机模拟技术和张量网络的新应用。该计划将为加拿大的胶体科学界带来新技术,并将提供新的工具和语言,为复杂系统的决策提供信息。这些新技术和工具可以为工业和国防部的工程师提供信息。我将为15名HQP提供广泛适用的数学,计算和数据科学技术的严格培训,并为他们在工业和学术界利用其先进技能的一系列职业做好准备。

项目成果

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