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Computergestütztes Materialdesign

Weg von der empirischen Materialbeschreibung hin zum Materialdesign. Mit unserer Simulations-„Toolbox“ führen wir traditionell getrennte Forschungsbereiche im virtuellen Labor zusammen.

Simulations-„Toolbox“

Zu den großen Herausforderungen der Simulationstechnologie zählt es, komplexe Materialien prädiktiv simulationsbasiert zu optimieren. Eine immer wichtigere Rolle spielen hier neben Anwendungen in klassischen Bereichen des Ingenieurwesens auch Anwendungen in der Informatik oder in der Chemie- und Biotechnologie.

Hierfür muss die Simulationstechnologie eine „Toolbox“ bereitstellen. Diese soll auf der Grundlage der gekoppelten Mehrskalensimulationen von Materialverhalten die Entwicklung von Materialien und Molekülen mit optimierten, maßgeschneiderten Eigenschaften erlauben.

Wir führen traditionell getrennte Forschungsgebiete zusammen

Die „Toolbox“ ist die Grundlage für das von uns angestrebte ganzheitliche computerorientierte Materialdesign. Sie verbindet die

  • quantenmechanische,
  • diskrete
  • und kontinuumsmechanische Modellierung,

die harte und weiche Materie beschreibt.

Wir wollen die Mikrostruktur von Materialien optimieren, um so maßgeschneiderte Moleküle und Materialien zu entwickeln. Dabei beziehen wir die Atom-, die Mikro- und die Mesoskala ein. Virtuelle Labore erlauben uns Experimente mit virtuellen Materialien. So können wir die Eigenschaften und die Funktion von Materialien und Molekülen optimieren und kontrollieren.

Hier erfahren Sie mehr über die vier Key Ingredients, derer wir uns bedienen, um von der empirischen Materialbeschreibung zur computergestützten Materialentwicklung zu gelangen:

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Auf unterschiedlichen Skalen modellieren

Das Gesamtverhalten von Materialien wird durch physikalische Phänomene bestimmt. Diese finden auf einem breiten Spektrum von Zeit- und Längenskalen statt. Wenn wir Materialverhalten auf mehreren Skalen modellieren wollen, ist die Grundvoraussetzung dafür, dass wir Mehrfeldprobleme auf einzelnen Skalen verstehen. Dazu gehören zum Beispiel

  • die Clusterbildung von Leerstellen,
  • die Nukleation von Versetzungen,
  • Phasentransformationen,
  • die Umstrukturierung von Polymernetzwerken
  • sowie das Wachstum von Rissen.

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Simulations-„Tools“ auf einzelnen Skalen
Wir entwickeln 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.

Forschungsfelder A, B, E, F

Mit Skalenübergängen Methoden verknüpfen
Um vorauszusagen, wie sich ein Material im Gesamten verhält, müssen wir verstehen, wie die Phänomene auf unterschiedlichen Skalen zusammen spielen. Es existiert eine Vielzahl an hochkomplexen Methoden, die dies ermöglichen. Längen- und Zeitskalen werden hierfür durch eine integrative „Toolbox“ gekoppelt – alles auf der Grundlage fundamentaler Konzepte der Multiskalen-Materialmodellierung.

 

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Top-Down- und Bottom-Up
Für gewöhnlich modellieren Ingenieurinnen und Ingenieure Materialien auf der Kontinuumsskala. Dabei berücksichtigen sie Informationen von kleineren Skalen. Chemikerinnen und Chemiker sowie Physikerinnen und Physiker wählen hingegen meist den umgekehrten Zugang.

Im Exzellenzcluster arbeiten Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus diesen ursprünglich getrennten Gebieten zusammen. So können sie gemeinsam die beiden Zugänge kombinieren und alle Längen- und Zeitskalen überbrücken.

 

Forschungsfelder A, B, F

Materialeigenschaften verändern
Mit der integrativen „Toolbox“ können wir nicht nur das Gesamtverhalten existierender Materialien mit bekannter Mikrostruktur vorhersagen. Wir untersuchen auch die virtuelle Mikrostruktur neuer Materialien auf der atomistischen, der mikroskopischen oder der mesoskopischen Skala.

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Virtuelle Experimente
„Virtuelle Labore“ ermöglichen virtuelle Experimente. Hier werden gänzlich neue Materialien und Moleküle, wie Hochleistungsfunktionsmaterialien mit bisher unbekannten Eigenschaften, getestet. Wir modifizieren in diesem Rahmen systematisch die Mikrostruktur der Materialien. Bei Mehrskalen- und Mehrfeldproblemen arbeiten wir zum Beispiel mit thermo-elektro-chemo-mechanischer Kopplung.

 

 

Forschungsfelder A, B, E, F

Design von Materialien
Um vollends zum computergestützten Materialdesign zu gelangen, müssen wir im letzten Schritt die Mikrostruktur von Materialien optimieren. So können wir gewünschte Eigenschaften und Funktionen schaffen. Virtuelle Experimente und eine stetig wachsende Datenbank erlauben schließlich das Design neuer, maßgeschneiderter Materialien und Moleküle.

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Design von Materialsystemen
Nun können wir das komplexe Gesamtverhalten hybrider Materialsysteme kontrollieren und optimieren. Damit trägt unser Exzellenzcluster maßgeblich zur Entwicklung der Technik im Bereich des integrativen Designs von Materialsystemen bei.

 

 

Forschungsfelder A, B, D, E