Fundierte Einblicke in Werkstoffe mit dem virtuellen Mikroskop

Multiskalenmodellierung und Tribosimulation

Durch skalenübergreifende numerische Simulation statischer und dynamischer Eigenschaften von Werkstoffsystemen setzen wir makroskopische Material-, Bauteil- und Prozesseigenschaften mit Mechanismen auf der Mikroskala in Beziehung. Dieser Zugang, der die Brücke zwischen Quantentheorie, Atomistik, Mesoskopik und Kontinuum schlägt, ermöglicht eine grundlegende Optimierung industrieller Materialsyntheserouten und Prozessführungen. Wichtige Anwendungsfelder sind Reib- und Verschleißreduktion in Tribosystemen, sowie das wissensbasierte Design von Nanomaterialien und Suspensionen.
 

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Leistungen

SimPARTIX

Themen

Lehre

Leistungen

Numerische Simulation als »numerische Lupe« zur Identifikation nano- und mikroskaliger Designregeln

Gezielte Methoden- und Algorithmenentwicklung für die Multiskalenprobleme unserer Partner

Wissensbasierte Reduktion von Versuchs-Irrtums-Schleifen bei der Produktentwicklung

Modellierung tribologischer Systeme mit dem Ziel der Reibungs- und Verschleißminderung

Mechanismenorientierte Simulation diverser Beschichtungsprozesse

Mesopartikelbeschreibung granularer und fluidischer Prozesse in komplexen Fluiden (beispielsweise Suspensionen)

Ausschöpfen des inhärenten Potentials der Nanotechnologie durch Vorhersage neuer Größeneffekte

Themen

 

Multiskalenmodellierung

 

Die Kontinuumsbeschreibung von Prozessen und Werkstoffen benötigt verlässliche konstitutive Materialgleichungen um erfolgreich Material- und Bauteilverhalten vorhersagen zu können. In der Vergangenheit war meist nur eine empirische Formulierung dieser Konstitutivgesetze möglich. Inzwischen können diese jedoch mittels mesoskopischer, atomistischer und quantenmechanischer Modellierung auf die grundlegenden Mechanismen zurückgeführt und damit ...

 

Nanotribologie

 

Die Komplexität von Reibungsphänomenen beruht auf ihrer inhärenten Multiskaligkeit. Das computergestützte Design von Tribokontakten deckt daher alle Skalen von der atomistischen Beschreibung des Kontaktes bis hin zur Elastohydrodynamik des Schmierspaltes ab. Quantenchemische Rechnungen beschreiben mögliche Reaktionen zwischen Grundschmierstoff, Additiven, Sauerstoff und den beteiligten Oberflächen. Molekulardynamische Simulationen liefern die Randbedingungen ...

 

Schichtwachstumsprozesse

 

Die optimale Auslegung von Beschichtungsprozessen wird immer noch durch die Notwendigkeit einer großen Anzahl von Vorversuchen erschwert. Die Simulation hilft hier das Prozessfenster drastisch einzuschränken indem sie die relevanten mikroskopischen Mechanismen identifiziert, die zu einer gewünschten Mikrostruktur oder Topographie ...

 

Partikelsimulation

 

Zur Simulation von Fertigungsprozessen mit Kornwerkstoffen, Flüssigkeiten oder Suspensionen werden partikelbasierte Simulationsmethoden eingesetzt und weiterentwickelt. Die Diskrete Elemente Methode (DEM) beschreibt die Morphologie, Wechselwirkung und Dynamik einzelner Körner. In Verbindung mit der Dissipativen Partikeldynamik (DPD) eignet sie sich zur Simulation von Suspensionen, wie sie beispielsweise als Abrasiv beim Drahtsägen von Siliziumwafern auftreten...

 

Nanomaterialien

 

Gewöhnlich nutzt man Skalenansätze in der Miniaturisierung von Bauteilen d.h. man vertraut darauf, dass die Physik, die in großen Systemen vorliegt, sich im Kleinen fortsetzt. Unterschreiten jedoch die Dimensionen eines Bauteils oder einer Struktureinheit eines Materials eine gewisse intrinsische Größe (beispielsweise die de-Broglie-Wellenlänge der Leitungselektronen), dann kann das Material völlig neue Eigenschaften aufweisen. Die Hoffnungen, die häufig in die Nanotechnologie gesetzt ...

 

Nanokatalysatoren

 

Die Suche nach optimalen katalytischen Systemen profitiert von einem fundamentalen Verständnis der Energetik und Sterik der angestrebten chemischen Reaktionen. Mit Dichtefunktionaltheorie können heute schon detaillierte Rechnungen heterogener Katalysatoren durchgeführt werden. Gerade Katalysatoren aus geträgerten Nanoclustern sind hier besonders interessant, da sie oft eine höhere katalytische Aktivität haben als die entsprechenden Systeme mit ...

 

Nano- und Mikrofluidik

 

Mittels Molekulardynamik und Smoothed Particle Hydrodynamics kann das Fließen kleiner Flüssigkeitsmengen in Behältnissen sowie mit freien Oberflächen sehr wirklichkeitsnah simuliert werden. Nutznießer dieser Rechnungen sind Konstrukteure nano- und mikrofluidischer Bauteile, wie z.B. kapillare Pumpen, Injektionsdüsen und fluidische Weichen. Auch die Tribologie profitiert durch ein vertieftes Verständnis der Schmierstoffdynamik ...

 

Li-Ionenbatterien

 

Moderne Batterietechnologie setzt zunehmend auf nanostrukturierte Materialien für die Kathode sowie die Anode. Hierbei ist es möglich die Transportprozesse zu den Oberflächen, die Interkalation von Lithium in die Materialien als auch mögliche chemische Degenerationsmechanismen des Elektrolyten an den Elektroden mittels atomistischer Methoden abzubilden. Hierdurch wird das Prozessverständnis unterstützt was wiederum zur Optimierung der beteiligten Materialien genutzt ...

 

Kohlenstoffnanoröhrchen

 

»Here we have what is almost certainly the strongest, stiffest, toughest molecule that can ever be produced, the best possible molecular conductor of both heat and electricity.« (R.E. Smalley)
Ihre herausragenden elektrischen und mechanischen Eigenschaften, wie im Zitat von  Nobelpreisträger Richard E. Smalley beschrieben, verheißen Kohlenstoffnanoröhrchen (engl. Carbon nanotubes - CNT) eine äußerst ...

 

Publikationen zum Thema Multiskalenmodellierung und Tribosimulation


Beiträge in Zeitschriften, Büchern und auf Konferenzen sowie Dissertationen und Projektberichte...

SimPARTIX®

SimPARTIX® ist ein innovatives und leistungsstarkes Simulationstool, mit dem die Dynamik von granularen Werkstoffen und komplexen Flüssigkeiten auf Partikelbasis beschrieben wird: http://www.simpartix.de/

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Lehre

Prof. Dr. Michael Moseler, Universität Freiburg

SS 2012 – Computational material science

WS 2010/2011 – Computational material science

WS 2009/2010 – Theory of atomi clusters: concepts and computation / Theorie der atomaren Cluster: Konzepte und computergestützte Modellierung

SS 2010 – Elektronische Struktur der Materie

SS 2009 – Computergestützte Materialphysik II: Multiskalenmodellierung

WS 2008/2009 – Computergestützte Materialphysik I: Dichtefunktionaltheorie

WS 2007/2008 – Introduction to the theory of atomic clusters: concepts and computations

SS 2007 – Einführung in die Multiskalenmaterialmodellierung

WS 2006/2007 – Introduction to density functional theory

SS 2006 – Surface growth: from toy models via continuum growth equations to fractal theories

WS 2005/2006 – Introduction to Multiscale Modelling of Materials

SS 2005 – Clusters on the computer

WS 2004/2005 – Computergestützte Materialphysik

SS 2004 – Fortran 90: Eine Einführung mit physikalischen Beispielen

WS 2003/2004 – Dichtefunktionaltheorie: eine Einführung mit Computerexperimenten

SS 2003 – Computergestützte Materialphysik

 

Sommerschulen, Prof. Dr. Michael Moseler

Freiburger Physiktage 2009 – Multiscale Modeling,

Lappeenranta, Finland. 12th-16th June 2007 – Serial Multiscale coupling schemes, COST Summerschool on multiscale materials modelling

15th Jyväskylä Summerschool, 18th - 26th Aug 2005 – Multiscale Modelling of Nanomaterials

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