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:
    2022
  • 资助国家:
    加拿大
  • 起止时间:
    2022-01-01 至 2023-12-31
  • 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.
我的发现资助计划将开发基于统计物理学的新方法,用于研究和识别设计问题中的共性和基本现象,这些问题涉及纳米结构材料和宏观对象和系统的微观细节。自2015年以来,我和我的学生开发了基于扩展系综的统计力学的新方法,以研究设计中的问题。我们引入了“数字炼金术”来实现软性胶体材料的合理、逆向设计,并引入了“系统物理学”来阐明工业设计中的基本现象。我们已经证明,在纳米大小的颗粒和数百米大小的船舶上,共同的数学和物理原理是设计的基础。我的小组在这项DG提案下的工作将在更广泛的材料类别和复杂的系统中阐明这些原则。本课程将加深对设计中基本挑战的理解,并开启物理学与工程学之间对话的新形式。根据这项提议,我的目标是:-开发新的方法,以促进可重构性、可升级性和灵活性,解决广泛的设计问题,从强大的物流网络到可切换的纳米材料。-制定方法,以了解、量化和沟通约束如何影响复杂系统的决策。-制定各种方法,以确定和量化各种问题类型的关键设计驱动因素。-开发开放源码软件,以实现上述目标,供更广泛的社区使用。-继续提供培训环境,使用广泛的问题类型基础,积极鼓励HQP思考研究问题和主题如何超出其直接工作范围。我的小组将通过使用扩展统计集合的共同方法来执行这一方案。我们将使用这些组合来重新构建设计问题的框架,以揭示不同水平的设计自由。我们将从多个角度研究设计问题的统计描述,并量化其对决策的影响。我们将研究在设计问题的微观和宏观描述之间移动如何影响对问题说明的理解,特别是在子系统之间的交互方面。我们将开发新的计算机模拟技术,以及张量网络的新应用。这项计划将为加拿大的胶体科学界带来新的技术,并将提供新的工具和语言来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界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方面的严格培训,并让他们为利用他们在工业和学术界的高级技能的一系列职业生涯做好准备。

项目成果

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