Fundierte Einblicke in Werkstoffe mit dem virtuellen Mikroskop

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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.

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...

Fraunhofer IWM Videoserie: SimPartix

SimPARTIX® ist ein innovatives und leistungsstarkes Simulationstool, mit dem die Dynamik von granularen Werkstoffen und komplexen Flüssigkeiten auf Partikelbasis beschrieben wird.

SimPARTIX®

    

Lehre

 

Prof. Dr. Michael Moseler, Universität Freiburg

  • WS2018/19: Computational Materials Engineering
  • WS2017/18: Computational Materials Engineering
  • SS2017: Computational Physics: Materials Science
  • WS2016/17: Computational Materials Engineering
  • SS2016: Density functional theory
  • WS2015/16: Computational Material Physics
  • SS2015: Computational Material Physics I: DFT
  • WS2013/2014: Electronic structure of matter
  • SS2012: Electronic structure of matter
  • WS2011/2012: Computational Materials Science
  • WS2010/2011: Computational Materials Science
  • SS2010: Elektronische Struktur der Materie
  • WS2009/2010: Theorie der atomaren Cluster: Konzepte und computer-gestützte Modellierung
  • SS2009: Computergestützte Materialphysik II: Multiskalensimulation
  • WS2008/2009: Computergestützte Materialphysik I: Dichtefunktionaltheorie
  • WS2007/2008: Introduction to the theory of atomic clusters: concepts and computations
  • SS2007: Einführung in die Multiskalenmaterialmodellierung
  • WS 2006/2007: Introduction to density functional theory
  • SS 2006: Surcafe growth: from toy models via continuum growth equations to fractal theories
  • WS 2005/2006: Introduction to Multiscale Modelling of Materials
  • SS2005: 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

  • M.Moseler, Quantum Molecular Dynamic Insights into Tribochemistry, Summer School Tribology Today, Marrakech 8.4.-14.4.2018
  • M. Moseler, Sequential atomistic/continuum multiscale coupling, GAMM Multiscale Materials Modeling Summer School, Bad Herrenalb, 02. - 07.09.2012
  • M. Moseler, Serial Multiscale coupling schemes, COST Summerschool on multiscale materials modelling, Lappeenranta, Finland. 12. - 16.06.2007
  • M. Moseler, Multiscale Modelling of Nanomaterials, 15th Jyväskylä Summerschool,
    18. - 26.08.2005

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