We introduce a simple local atomic structure optimization algorithm which is significantly faster than standard implementations of the conjugate gradient method and often competitive with more sophisticated quasi-Newton schemes typically used in ab initio calculations. It is based on conventional molecular dynamics with additional velocity modifications and adaptive time steps. The surprising efficiency and especially the robustness and versatility of the method is illustrated using a variety of test cases from nanoscience, solid state physics, materials research, and biochemistry.

In a first report [Jin ZH, Gumbsch P, Ma E, Albe K, Lu K, Hahn H, et al. Scripta Mater 2006;54:1163], interactions between screw dislocation and coherent twin boundary (CTB) were studied via molecular dynamics simulations for three face-centered cubic (fcc) metals, Cu, Ni and Al. To complement those preliminary results, purely stress-driven interactions between 60° non-screw lattice dislocation and CTB are considered in this paper. Depending on the material and the applied strain, slip has been observed to interact with the boundary in different ways. If a 60° dislocation is forced by an external stress into a CTB, it dissociates into different partial dislocations gliding into the twin as well as along the twin boundary. A sessile dislocation lock may be generated at the CTB if the transited slip is incomplete. The details of the interaction are controlled by the material-dependent energy barriers for the formation of Shockley partial dislocations from the site where the lattice dislocation impinges upon the boundary.

Abstract A new method for combined finite-element and atomistic analysis of crystal defects has been developed. The coupling between the atomistic core and the surrounding continuum is described in terms of non-local elasticity theory. Static and dynamic tests demonstrate the satisfactory performance of this method. The model is applied to crack propagation on cleavage and non-cleavage planes in b.c.c. crystals, using potentials for iron and tungsten as examples. On the cleavage planes, pronounced directions of ‘easy’ crack propagation, besides less favourable directions, are found. On the preferred cleavage plane {100}, easy propagation is possible in any macroscopic direction by microscopic facetting of the crack front into easy directions, while on the secondary cleavage plane {110}, there is only one macroscopic direction in which cracks will propagate easily. On all other planes studied here, plastic processes at the crack tip (twinning and/or dislocation emission) intervene before brittle crack propagation; thereafter the cracks remain stationary to much higher stress intensities than on the cleavage planes. Thus the model gives a satisfactory explanation of the dependence of crack propagation on crystallographic orientation, and in particular of the difference between cleavage and non-cleavage planes, in b.c.c. crystals.

The interaction between screw dislocations and coherent twin boundaries has been studied by means of molecular dynamics simulations for Al, Cu and Ni. Depending on the material and the applied strain, a screw dislocation approaching the coherent twin boundary from one side may either propagate into the adjacent twin grain by cutting through the boundary or it may dissociate within the boundary plane. Which one of these two interaction modes applies seems to depend on the material dependent energy barrier for the nucleation of Shockley partial dislocations.

Structures and materials absorbing mechanical (shock) energy commonly exploit either viscoelasticity or destructive modifications. Based on a class of uniaxial light-weight geometrically nonlinear mechanical microlattices and using buckling of inner elements, either a sequence of snap-ins followed by irreversible hysteretic - yet repeatable - self-recovery or multistability is achieved, enabling programmable behavior. Proof-of-principle experiments on three-dimensional polymer microstructures are presented.

Diamond is the hardest material on Earth. Nevertheless, polishing diamond is possible with a process that has remained unaltered for centuries and is still used for jewellery and coatings: the diamond is pressed against a rotating disc with embedded diamond grit. When polishing polycrystalline diamond, surface topographies become non-uniform because wear rates depend on crystal orientations. This anisotropy is not fully understood and impedes diamond's widespread use in applications that require planar polycrystalline films, ranging from cutting tools to confinement fusion. Here, we use molecular dynamics to show that polished diamond undergoes an sp(3)-sp(2) order-disorder transition resulting in an amorphous adlayer with a growth rate that strongly depends on surface orientation and sliding direction, in excellent correlation with experimental wear rates. This anisotropy originates in mechanically steered dissociation of individual crystal bonds. Similarly to other planarization processes, the diamond surface is chemically activated by mechanical means. Final removal of the amorphous interlayer proceeds either mechanically or through etching by ambient oxygen.

The tribological behavior of steel sliding pairs with dimples ranging from 15 to 800 µm in diameter was characterized in the mixed lubrication regime in a pin-on-disk experiment. The pin was textured, keeping the total dimpled area constant at 10% and the depth-to-diameter ratio at 0.1. Polyalphaolefin (PAO) was used as a model lubricant. Experiments were carried out under unidirectional sliding conditions at 50 and 100 °C. At constant depth-to-diameter ratio the results showed a significant non-linear dependence of the friction coefficient on the texture diameter, sliding speed and the oil temperature (viscosity). A friction reduction of up to 80% was possible with the optimal diameter for certain sliding speeds. The dimple diameters leading to the highest friction reduction significantly depend on the oil temperature. By reducing the oil temperature from 100 to 50 °C the dimple diameter resulting in the highest friction reduction changed from 40 to 200 µm.

Lubricin, an intrinsically disordered glycoprotein, plays a pivotal role in facilitating smooth movement and ensuring the enduring functionality of synovial joints. The central domain of this protein serves as a source of this excellent lubrication and is characterized by its highly glycosylated, negatively charged, and disordered structure. However, the influence of O-glycans on the viscosity of lubricin remains unclear. In this study, we employ molecular dynamics simulations in the absence and presence of shear, along with continuum simulations, to elucidate the intricate interplay between O-glycans and lubricin and the impact of O-glycans on lubricin's conformational properties and viscosity. We found the presence of O-glycans to induce a more extended conformation in fragments of the disordered region of lubricin. These O-glycans contribute to a reduction in solution viscosity but at the same time weaken shear thinning at high shear rates, compared to nonglycosylated systems with the same density. This effect is attributed to the steric and electrostatic repulsion between the fragments, which prevents their conglomeration and structuring. Our computational study yields a mechanistic mechanism underlying previous experimental observations of lubricin and paves the way to a more rational understanding of its function in the synovial fluid.

The pin-on-disc test is a widely employed method for investigating the friction and wear performance of materials in conformal contact. In a typical pin-on-disc system, self-aligning pin holders are frequently utilized to ensure proper surface contact. This study reveals that in such a setup, pin inclination has a significant impact on test reliability, particularly under oil-lubricated conditions, which may overweight the influence of other parameters such as roughness or texture elements. Utilizing in-situ measurements, we captured the dynamic changes in pin inclination during rotational sliding. Our findings indicate that the pin inclination varies with sliding speed, showing a pitch angle difference of approximately 0.01°as the speed decreases from 2 m/s to 0.04 m/s in our test setup. Importantly, a robust correlation was identified between the friction coefficient and pin inclination, which is supported by the numerical investigation. This study underscores concerns regarding the test reliability of pin-on-disc tribometers, prompting a reconsideration of the assumptions associated with self-aligning pin holders in such experimental configurations.