Multiskalenmodellierung und Tribosimulation

Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM

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Durch skalenübergreifende Simulation statischer und dynamischer Eigenschaften von Werkstoffsystemen setzen wir makroskopische Material-, Bauteil- und Prozesseigenschaften mit mikrostrukturellen Mechanismen 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.

Leistungen

  • 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 entscheidend verbessert werden. Die Skalenkopplung ermöglicht eine nahtlose Beschreibung von Werkstoffsystemen durch elektronische und atomistische Elementarprozesse, indem Informationen von der Nanoskala durch eine Simulationskette bis hin zur Makroskala durchgereicht werden.

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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 für kontinuumsmechanische Schmiermittelsimulationen. Molekulardynamische und mesodynamische Simulationen erhellen den Einfluss von Mikro- und Nanostrukturierung der Triboflächen auf das Reibungsverhalten und geben Designregeln für die Strukturierung vor. Die mesoskopische Modellierung der Dynamik nicht-newtonscher Schmierstoffe trägt zur Optimierung der Scherströmungen bei.

Warum kann man Diamant polieren? (PDF)

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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 führen.

Warum sind sehr dünne amorphe Kohlenstoffschichten fast atomar glatt? (PDF)

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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. Mithilfe von Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH) lassen sich Fluide mit komplexer Rheologie beschreiben. Partikelbasierte Simulationsmethoden sind somit als Ergänzung zur kontinuumsmechanischen Prozess- und Bauteilsimulation mittels der Finite Elemente Methode (FEM) zu verstehen. Ihre Verwendung ist insbesondere dann sinnvoll, wenn der granulare oder fluidische Charakter eines Werkstoffs einen Prozess dominiert.

Dichteverteilungen beim Matrizenfüllen. (PDF)

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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 (z.B. die de-Broglie-Wellenlänge der Leitungselektronen), dann kann das Material völlig neue Eigenschaften aufweisen. Die Hoffnungen, die häufig in die Nanotechnologie gesetzt werden, beruhen darauf, dass diese Eigenschaften durch die Systemgröße gesteuert werden können. Hierbei sind theoretische Vorhersagen besonders wertvoll, da sie dazu beitragen, die teuren experimentellen Versuchs-Irrtums-Schleifen auf ein Minimum zu begrenzen. Die Anwendungen reichen von der Verstärkung von Leichtmetallen mit Kohlenstoffnanoröhrchen, über das Design von Nanokatalysatoren bis hin zum elektronischen Transport in Nanosystemen.

FIRE: Optimierung einfach gemacht. (PDF)

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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 größeren aktiven Zentren.

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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 in engen Spalten.

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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 werden kann.

Simulation neuartiger Separatormaterialien für Lithium-Ionen-Batterien. (PDF)

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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 vielversprechende Zukunft für Anwendungen im Elektronikbereich sowie als Kandidaten zur gezielten Verbesserung von Materialeigenschaften hybrider CNT-Systeme. Simulationsmethoden von der Dichtefunktionaltheorie bis hin zur Molekulardynamik liefern hierbei wichtige Ergebnisse über die intrinsischen CNT-Eigenschaften. Vor allem aber führen sie zu einem Verständnis der Wechselwirkung von CNT mit externen Systemen in anwendungsrelevanten Situationen.

Kohlenstoffnanoröhren in Magnesium, Aluminium und Titan

 

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Informationen

Lehre

Sommersemester 2009
Computergestützte Materialphysik II: Multiskalenmodellierung – Michael Moseler, Universität Freiburg

Wintersemester 2008/2009
Computergestützte Materialphysik I: Dichtefunktionaltheorie – Michael Moseler, Universität Freiburg

Wintersemester 2007/2008
Introduction to the theory of atomic clusters: concepts and computations – Michael Moseler, Universität Freiburg

Sommersemester 2007
Einführung in die Multiskalenmaterialmodellierung – Michael Moseler, Universität Freiburg

Wintersemester 2006/2007
Introduction to density functional theory – Michael Moseler, Universität Freiburg

Sommersemester 2006
Surface growth: from toy models via continuum growth equations to fractal theories – Michael Moseler, Universität Freiburg

Wintersemester 2005/2006
Introduction to Multiscale Modelling of Materials – Michael Moseler, Universität Freiburg

Sommersemester 2005
Clusters on the computer – Michael Moseler, Universität Freiburg

Wintersemester 2004/2005
Computergestützte Materialphysik - Michael Moseler, Universität Freiburg

Sommersemester 2004
Fortran 90: Eine Einführung mit physikalischen Beispielen – Michael Moseler, Universität Freiburg

Wintersemester 2003/2004
Dichtefunktionaltheorie: eine Einführung mit Computerexperimenten – Michael Moseler, Universität Freiburg

Sommersemester 2003
Computergestützte Materialphysik  – Michael Moseler, Universität Freiburg

Sommerschulen

M. Moseler, Multiscale Modelling of Nanomaterials, 15th Jyväskylä Summerschool, 18th - 26th Aug 2005

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

M. Moseler, Multiscale Modeling, Freiburger Physiktage 2009

Publikationen

Über den Link gelangen Sie zur Seite von Fraunhofer Publica, auf der Sie unsere Veröffentlichungen recherchieren können: Fraunhofer Publica

Liste unserer Veröffentlichungen:

  • Duffe S.; Grönhagen, N.; Patryarcha, L.; Sieben, B.; Yin, C.; von Issendorff, B.; Moseler, M.; Hövel, H., Penetration of thin C60 films by metal nanoparticles, Nature Nanotechnology 5 (2010) 335-339
  • Koller, S.; Mayrhofer, L; Grifoni, M., Spin-dependent transport through interacting graphene armchair nanoribbons, New Journal of Physics 12/3 (2010) 033038 1-35
  • Moras, G.; Choudhury, R.; Kermode, J. R.; Csányi, G.; Payne, M. C.; De Vita, A., Hybrid quantum/classical modeling of material systems: the »learn on the fly« molecular dynamics scheme, in Trends in Computational Nanomechanics: Transcending Length and Time Scales, Dumictrica, T. (Ed.), Springer Netherlands Dordrecht (2010) 1-23
  • Pastewka, L.; Peguiron, J.; Gumbsch, P.; Moseler, M., Molecular dynamics simulation of gold solid film lubrication, International Journal of Materials Research 101/8 (2010) 981-988
  • Pastewka, L.; Moser, S.; Moseler, M., Atomistic insights into the running-in, lubrication, and failure of hydrogenated diamond-like carbon coatings Tribology Letters 39/1 (2010) 49-61
  • Walter, M.; Moseler, M., How to observe the oxidation of magnesia supported Pd clusters by scanning tunneling microscopy, Physica status solidi (b) – basic solid state physics 247/5 (2010) 1016-1022
  • Walter, M.; Moseler, M., Determination of structure and electronic properties of free, supported and ligand protected metal clusters by density functional theory, in Schriften des Forschungszentrums Jülich NIC Symposium 2010, IAS Series, Forschungszentrum Jülich, Jülich (2010) 199-206
  • Ziegler, T.; Neubrand, A.; Piat, R.; Multiscale homogenization models for the elastic behaviour of metal/ceramic composites with lamellar domains; Composites science and technology 70 (2010), No.4, pp.664-670; Volltext auf Fraunhofer Publica

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  • Bierwisch, C.; Kraft, T.; Riedel, H.; Moseler, M.: Three-dimensional discrete element models for the granular statics and dynamics of powders in cavity filling, J. Mech. Phys. Sol. 57, 10 (2009)Volltext auf Fraunhofer Publica
  • Bierwisch, C.; Kraft, T.; Riedel, H.; Moseler, M.: Die filling optimization using three-dimensional discrete element modeling, Powder Technology, 196 (2009) 169-179, Volltext auf Fraunhofer Publica
  • Hormann, C.; Meier, S.; Moseler, M.: The importance of non-local shadowing for the topography evolution of a-C:H films grown by toluene based plasma enhanced chemical vapor deposition; The European physical journal. B, Condensed matter physics 69/2 (2009) 187-194, DOI: 10.1140/epjb/e2009-00131-6
  • Huber, B.; Moseler, M.; Kostko, O.; von Issendorff, B.: Structural evolution of the sodium cluster anions Na-20(-)-Na-57(-), Physical Review B 80/23 (2009) 235425 1-6
  • Koller, S.; Mayrhofer, L.; Grifoni, M.: Graphene armchair nanoribbon single-electron transistors: the peculiar influence of end states, Europhysics Letters 85/5 (2009) 57001
  • Pastewka, L.; Salzer, R.; Graff, A.; Altmann, F.; Moseler, M.:Surface amorphization of silicon during Ga+ focused-ion beam milling, Nucl. Inst. & Methods B, accepted (2009)
  • Pastewka; L.; Koskinen, P.; Elsässer, C.; Moseler, M.: Understanding the microscopic processes that govern the charge-induced deformation of carbon nanotubes, Physical Review B, 80 (2009) 155428/1-15 Volltext auf Fraunhofer Publica
  • Pastewka, L.; Pou, P.; Perez, R.; Gumbsch, P.; Moseler, M.: Describing bond-breaking processes by reactive potentials: the importance of an environment-dependent interaction range, Phys. Rev. B (R) 78, 161402 (2008) Volltext auf Fraunhofer Publica
  • Wonisch, A.; Kraft, T.; Moseler, M.; Riedel, H.: Effect of different particle size distributions on solid-state sintering, Journal of the American Ceramic Society 92, 7 (2009), 1428-1434,Volltext auf Publica

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  • Ziegler, T.; Neubrand, A.; Roy, S.; Wanner A.; Piat, R.; Elastic constants of metal/ceramic composites with lamellar microstructures: Finite element modelling and ultrasonic experiments, Composites science and technology 69, Nr.5, 620-626 (2009),Volltext auf Fraunhofer Publica
  • Duffe, S.; Irawan, T.; Bieletzki, M.; Richter, T.; Sieben, B.; Yin, C.; von Issendorf, B.; Moseler, M.; Hövel, H., Softlanding and STM imaging of Ag561 clusters on a C60 mono-layer, Euro. Phys. J. D 45, 401 (2007)
  • Henrich, B.; Wonisch, A.; Kraft, T.; Moseler, M.; Riedel, H., Discrete Element Simulations on the Influence of Rearrangement during Sintering, Acta Materialia 55, 753 (2007)
  • Henrich, B.; Cupelli, C.; Moseler, M.; Santer, M., An adhesive DPD wall model for dynamic wetting, Europhys. Lett. 80, 60004 (2007)
  • Huber, B.; Moseler, M., Predicting experimental signatures for the oxidation of magnesia supported palladium clusters by density functional theory, Euro. Phys. J. D 45, 485 (2007)
  • Kostko, O.; Huber, B.; Moseler, M.; v. Issendorff, B., Structure of medium sized sodium clusters. Phys. Rev. Lett. 98, 043401 (2007)
  • Kostko, O.; Huber, B.; Moseler, M.; von Issendorff, B., Structure determination of medium-sized sodium clusters, Physical Review Letters 98, 043401 (2007) 1-4 Volltext auf Fraunhofer Publica
  • Koskinen, P.; Häkkinen, H.; Huber, B.; v. Issendorff, B.; Moseler, M., Liquid-Liquid Phase Coexistence in Gold Clusters: 2D or not 2D? Phys. Rev. Lett. 98, 015701 (2007) Volltext auf Fraunhofer Publica
  • Mrovec, M.; Moseler, M.; Elsässer, C.; Gumbsch, P., Atomistic modeling of hydrocarbon systems using analytic bond-order potentials, Progress in Materials Science 52, 131 (2007)
  • Wonisch, A.; Guillon, O.; Kraft, T.; Moseler, M.; Riedel, H.; Rödel, J., Stress-induced anisotropy of sintering alumina: Discrete element modelling and experiments, Acta Materialia 55, 5187 (2007)
  • Yoon, B.; Koskinen, P.; Huber, B.; Kostko, O.; von Issendorff, B.; Häkkinen, H.; Moseler, M.; Landman, U., Size-dependent Structural Evolution and Chemical Reac-tivity of Gold Clusters, Chem. Phys. Chem. 8, 157 (2007)

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  • Bitzek, E.; Koskinen, P.; Gähler, F.; Moseler, M.; Gumbsch, P., Structural Relaxation Made Simple. Phys. Rev. Lett. 97, 170201 (2006)
  • Häkkinen, H.;Moseler, M.; 55-atom clusters of silver and gold: Symmetry breaking by relativistic effects Comp. Mat. Sci. 35, 332 (2006) Volltext auf Fraunhofer Publica
  • Huber, B.; Koskinen, P.; Häkkinen, H.; Moseler, M., Oxidation of magnesia-supported Pd-clusters leads to the ultimate limit of epitaxy with a catalytic function, Nature Materials 5, 44 (2006)
  • Huber, B.; Häkkinen, H.; Landman U.; Moseler, M., Oxidation of gas phase Pd clusters: a density functional study, Comp. Mat. Sci. 35, 371 (2006)
  • Koskinen, P.; Häkkinen, H.; Sanna, S.; Frauenheim, T.; Seifert, G.; Moseler, M., Density-functional based tight-binding study of small gold clusters, New J. Phys. 8, 9 (2006) Volltext auf Fraunhofer Publica
  • Mundt, M.; Kummel, S.; Huber, B.; Moseler, M., Relating photoelectron spectra to Kohn-Sham eigenvalues for sodium clusters Phys. Rev. B 73, 205407 (2006)

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  • Moseler, M.; Gumbsch, P.; Casiraghi, C.; Ferrari, A.; Robertson, J., The ultras-moothness of diamond-like carbon surfaces, Science 309, 1545 (2005)
  • Moseler, M.; Riedel, H.; Gumbsch, P.; Stäring, J.; Mehlig, B., Understanding the phase transition from fullerite to amorphous carbon at the microscopic level, Phys. Rev. Lett. 94, 165503 (2005)
  • Moseler, M.; Huber, B.; Häkkinen, H.; Landman, U.; Wrigge, G.; Astruc Hoffmann, M.; v. Issendorff, B., Thermal effects in the photoelectron spectra of NaN - clusters (N=4-19),Phys. Rev. B 68, 165413 (2003)
  • Moseler, M.; Häkkinen, H.; Landman, U., Supported magnetic nanoclusters: Softlanding of Pd clusters on a MgO surface, Phys. Rev. Lett. 89, 176103 (2002)
  • Moseler, M.; Häkkinen, H.; Barnett, R.N.; Landman, U., Structure and magnetism of neutral and anionic palladium clusters, Phys. Rev. Lett. 86, 2545 (2001)
  • Moseler, M.; Häkkinen, H.; Landman, U., Photoabsorption spectra of Nan+ clusters: line broadening mechanisms, Phys. Rev. Lett. 87, 053401 (2001)
  • Moseler, M.; Landman, U., Formation, Stability and Breakup of Nanojets, Science 289, 1165 (2000)
  • Moseler, M.; Rattunde, O.; Nordiek, J.; Haberland, H., On the origin of surface smoothing by energetic cluster impact: molecular dynamics simulation and mesoscopic modelling, Nucl. Inst. & Methods B 164, 522 (2000)
  • Häkkinen, H.; Moseler, M.; Kostko, O.; Morgner, N.; Astruc Hoffmann, M.; v. Issendorff, B., Symmetry and electronic structure of noble-metal nanoparticles and the role of relativity, Phys. Rev. Lett. 93, 093401 (2004)
  • Häkkinen, H.; Moseler, M.; Landman, U., Bonding in Cu, Ag and Au clusters: Relativistic effects, trends and surprises, Phys. Rev. Lett. 89, 033401 (2002)
  • Santer, M.; Mehlig, B.; Moseler, M., Optical response of two-dimensional electron fluids beyond the Kohn regime: Strong nonparabolic confinement and intense laser light, Phys. Rev. Lett. 89, 286801 (2002)
  • Rattunde, O.; Moseler, M.; Häfele, A.; Kraft, J.; Rieser, D.; Haberland, H., Surface smooth-ing by energetic cluster impact, J. Appl. Phys. 90, 3226 (2001)

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