Computergestütztes Materialdesign
Entwicklung einer Simulations-“Toolbox“
Eine der zentralen Herausforderungen der Simulationstechnologie ist die prädiktive, simulationsbasierte Optimierung komplexer Materialien. Dabei spielen aufgrund des Trends zur Miniaturisierung von Alltagsgegenständen neben Anwendungen in den klassischen Bereichen des Ingenieurwesens auch Anwendungen in der Informatik oder in der Chemie- und Biotechnologie eine immer wichtigere Rolle. Um diesen Anforderungen gerecht zu werden, muss die Simulationstechnologie eine “Toolbox” bereitstellen, die auf Basis der gekoppelten Mehrskalensimulationen von Materialverhalten die Entwicklung von Materialien und Molekülen mit optimierten, maßgeschneiderten Eigenschaften erlaubt.
Zusammenführung traditionell getrennter Forschungsgebiete
Die "Toolbox" verbindet die quantenmechanische, diskrete und kontinuumsmechanische Modellierung zur Beschreibung von harter und weicher Materie. Gleichzeitig bildet sie die Basis für das von uns angestrebte ganzheitliche computerorientierte Materialdesign. Unsere Vision liegt in der Optimierung der Mikrostruktur von Materialien auf der atomistischen, der Mikro- und der Mesoskala bezüglich gewünschter Eigenschaften mit Hilfe virtueller Labore, die Experimente mit virtuellen Materialien erlauben. Die Eigenschaften und die Funktion von Materialien und Molekülen werden dadurch optimier- und kontrollierbar.
Key ingredient 1: Modellierung auf den unterschiedlichen Skalen
-
- Molekulardynamische Simulation der
Entfernung einer C.antarctica Lipase B
von einer “Tributyrin-Substrat-
Grenzfläche”
Physikalische Phänomene auf den verschiedenen Skalen
Die physikalischen Phänomene, die das Gesamtverhalten von Materialien bestimmen, finden auf einem breiten Spektrum von Zeit- und Längenskalen statt. Das Verständnis der Mehrfeldphänomene auf den einzelnen Skalen ist daher die Grundvoraussetzung für die Mehrskalenmodellierung von Materialverhalten. Beispiele sind die Clusterbildung von Leerstellen, die Nukleation von Versetzungen, Phasentransformationen, die Umstrukturierung von Polymernetzwerken sowie das Wachstum von Rissen.
Simulationswerkzeuge auf den einzelnen Skalen
SimTech entwickelt Simulationswerkzeuge für die verschiedenen Zeit- und Längenskalen. Diese reichen von Methoden der Dichte-Funktional-Theorie zur Berechnung von Elektronenstrukturen über molekulardynamische Methoden für atomistische Simulationen bis hin zu Finite-Element-Methoden für makroskopische Kontinuumsprobleme.
Key ingredient 2: Das Konzept der Skalenübergänge
-
- Mehrskalensimulation der Einschnürung
und Texturentwicklung eines
polykristallinen metallischen Stabes
unter Zugbelastung
Verknüpfung von Methoden durch Skalenübergänge
Um nun das Gesamtverhalten eines Materials vorherzusagen, muss man das Zusammenspiel der Phänomene auf den unterschiedlichen Skalen verstehen. Dies wird durch eine Vielzahl hochkomplexer Methoden für Skalenübergänge ermöglicht. Längen- und Zeitskalen werden dabei durch die integrative "Toolbox" basierend auf fundamentalen Konzepten der Multiskalen-Materialmodellierung gekoppelt.
Top-Down- und Bottom-Up-Zugänge
Gewöhnlich modellieren Ingenieure Materialien auf der Kontinuumsskala und berücksichtigen dabei Informationen von kleineren Skalen, während Chemiker und Physiker meist den umgekehrten Zugang wählen. Die Zusammenarbeit der verschiedenen SimTech-Wissenschaftler aus diesen traditionell getrennten Gebieten trägt zum Ziel unserer Vision bei, indem sie gemeinsam die beiden Zugänge kombinieren und alle Längen- und Zeitskalen überbrücken.
Key ingredient 3: Das Konzept des Virtuellen Labors
- Virtuelle Untersuchung der Schall-
wellenemission an einer Rissfront
mittels Molekulardynamischer
Berechnungen
Modifikation von Materialeigenschaften
Mit Hilfe der integrativen "Toolbox" kann nicht nur das Gesamtverhalten existierender Materialien mit bekannter Mikrostruktur vorhergesagt werden. Man kann auch neue Materialien mit virtueller Mikrostruktur auf der atomistischen, der mikroskopischen oder der mesoskopischen Skala untersuchen.
Virtuelle Anwendungen
Die Konstruktion solcher “virtuellen Labore” ermöglicht virtuelle Experimente mit gänzlich neuen Materialien und Molekülen. Hochleistungsfunktionsmaterialien mit bisher unbekannten Eigenschaften können dann durch systematische Mikrostrukturmodifikationen z. B. im Rahmen von Mehrskalen- und Mehrfeldproblemen mit thermo-elektro-chemo-mechanischer Kopplung erforscht werden.
Key ingredient 4: Optimiere das Material
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- Die Ausscheidung von Kupfer-Clustern
im Fe-Cu System wird durch die
kinetische Monte-Carlo-Methode simuliert.
Design von Materialien
Der letzte Schritt zur Vision des computergestützen Materialdesigns ist, die Mikrostruktur von Materialien bezüglich gewünschter Eigenschaften und Funktionalitäten zu optimieren. Die Lösung dieses inversen Problems mit Hilfe virtueller Experimente und einer stetig wachsenden Datenbank erlaubt schließlich das Design neuer, “maßgeschneiderter Materialien und Moleküle”.
Design von Materialsystemen
Das komplexe Gesamtverhalten neu entwickelter hybrider Materialsysteme kann nun kontrolliert und optimiert werden. Unser Exzellenzcluster trägt dadurch maßgeblich zum zukünftigen Stand der Technik im Bereich des integrativen Designs von Materialsystemen bei.
Demonstrator: Ganzheitliche Konzepte des computergestützen Materialdesigns
Wir erläutern unsere Vision anhand unseres ganzheitlichen Konzeptes des computerorientierten Materialdesigns. Wie in den “Key-Ingredients” beschrieben, entwickeln die Experten in SimTech eine "Toolbox" für Methoden zur Modellierung von Materialverhalten auf verschiedenen Skalen, für Skalenübergänge, für virtuelle Experimente und zur Optimierung. Die Werkzeuge der "Toolbox" lassen sich auf harte und weiche Materie anwenden.
Die integrative "Toolbox" wird von den Wissenschaftlern in SimTech für die Entwicklung und die Analyse neuer Materialien mit optimierten Eigenschaften genutzt und durch prädiktive Simulationen von komplexen Problemen im Ingenieurwesen und den Naturwissenschaften validiert.
Direkt zum Demonstrator der Vision "Computergestütztes Materialdesign"
Beiträge zur Vision "Computergestütztes Materialdesign"