在惯性约束聚变（ICF）实验中，燃料胶囊初始温度接近零、压力近似真空；当激光对燃料进行压缩以触发聚变反应时，材料会在极短时间和极小空间尺度内被加热至数百万度，压力升至接近太阳核心的水平。

研究人员指出，要理解这一过程，既需要掌握靶室内温度、压力等大尺度条件及其随时间的变化，也希望获得材料内部原子层面的细节信息。但在实验覆盖的广泛条件范围内，传统计算模型长期难以在微观与宏观之间建立有效衔接。

《物理评论E》近日发表的一项研究显示，劳伦斯利弗莫尔国家实验室（LLNL）与加州大学戴维斯分校的团队提出一套新模拟框架，将原子尺度模拟与描述宏观世界的计算代码耦合到同一模拟中。加州大学戴维斯分校博士生、在LLNL开展驻地研究的Tim Linke表示，该工作关注“纳米级原子与米级大流场之间的关系”，而两者的连接点在于材料本身。

为实现这一耦合，团队将LLNL的流体动力学代码与桑迪亚国家实验室的分子动力学代码结合：前者用于描述大尺度条件及其在特定位置随时间的演化，后者用于计算材料中单个原子对这些条件的响应。研究强调，该框架的关键特点在于两类模拟可同步运行，使原子尺度计算与大尺度流体过程在同一时间推进。

研究团队同时指出，该框架对算力需求极高。在其他系统出现难以克服的瓶颈后，作者对代码进行了针对性调整，以适配LLNL Tuolumne超级计算机的加速处理单元架构；该架构用于模拟其百亿亿次计算能力的姊妹系统El Capitan。

研究人员表示，这一方法的潜在应用范围不仅限于聚变研究，还可扩展至行星科学以及小行星撞击等天体物理现象。Linke称，团队有意保持框架的通用性，以便用于探讨相变、缺陷、化学反应等需要将微观洞察与宏观过程连接的现象。

论文还提到，该方法对模拟过程中化学成分发生变化的系统尤为适用。LLNL科学家、论文作者Sebastien Hamel以国家点火装置使用的润湿泡沫靶为例称，靶材起初是泡沫与氘的微观混合体系，但在压缩与加热过程中化学键会断裂，系统将趋于更原子级的混合并更为均匀。

LLNL科学家、论文作者Dane Sterbentz表示，该代码为进一步研究非平衡材料行为提供了路径，包括相变（如液态到固态）与化学反应等情形；相关方向被描述为该研究的下一阶段。