Computergestützte weiche Materie und Biophysik Arbeitsgruppe Prof. Dr. Marcus Müller Institut für Theoretische Physik, Georg-August Universität Göttingen Weiche Materie Das sind Wir Unser Forschungsgebiet ist die Physik weicher Materie, welche die Grundlage für die Entwicklung einer Vielzahl technischer Anwendungen wie selbst-heilenden und selbst-reinigenden Materialien oder der Herstellung von Nanostrukturen für Solar- und Brennstoffzellen sowie Katalysatoren sind. Weiche Materie umfasst ein breites Spektrum von Systemen, und reicht von Materialphysik wie Polymer-Lösungen und deren Interaktion mit Oberflächen bis hin zu Biophysik wie Lipidmembranen und deren Beinflussung durch Proteine. Kennzeichen weicher Materie I Schwache Wechselwirkungen – Energieskala kB T I Selbst-Organisation von deutlich größeren geordneten Strukturen als die zu Grunde liegende Moleküle I Complex Fluids – Geringe Nahordnung (Flüssigkeit), hohe Fernordnung (Festkörper). Beispiele für hierarchische Materialien Interessierst du dich . . . . . . für Computersimulationen und für Zusammenhänge in komplexen Systemen? Hast Du Lust . . . . . . in einer dynamischen und international ausgerichteten Arbeitsgruppe zu forschen? Du bist bei uns herzlich Willkommen! High-Performance Computing (a) Skalen in Polymersystemen (b) Lipid-Membrane Modellierung von Selbst-Organisation von Block-Copolymeren (DSA) Theoretische Modelle und Computersimulation sind in diesem Gebiet unumgänglich. Mit modernsten parallelen Hochleistungsrechnen, sowie neuen Modellen und innovativen Methoden können Eigenschaften weicher Materie erforscht werden. Fragen: I Hast du Interesse an wissenschaftlichem Rechnen auf Supercomputern? I Wie kann weiche Materie effizient simuliert werden? I Wie können GPUs optimal genutzt werden? Simulationen von mesoporösen, dünnen Filmen Abbildung: Prototyp für einen Defekt in einem lammellaren Muster und dessen Fluktuation-Mode, welche zum Verschwinden des Defektes führt (Mean-Field Modell). Chemisch behandelte Oberflächen sowie einschränkende Geometrien gehören zu den Strategien langreichweitig geordnete Strukturen mit Hilfe von selbstorganisierenden Block-Copolymeren zu erreichen (engl. Directed Self Assembly DSA). Atomistische, vergröberte und Mean-Field Ansätze können verwendet werden um den Herausforderungen der DSA in-silico“ auf verschiedenen Längen” und Größenskalen zu begegnen. Strukturbildung, Wechselwirkungen von und Vernichtung von Defekten und Kapillarwellen in lamellaren Systemen sind Beispiele für Systeme, die mit Mean-Field Modellen untersucht werden. Weitere Vorteile diese Ansatzes ist das gute Verhältnis aus Rechenaufwand und Detailgrad der Beschreibung, sowie die einfache Berechnung von Freien Energien. Vorhergehende Ergebnisse aus unserem Projekt zeigen, dass die Kinetik von Teilchen in Polymerschmelzen stark die endgültige Strukturen in dünnen, mesoporösen Filmen beeinflusst. Die Diffusion von Teilchen in Polymerschmelzen hängt von deren Größe ab – je kleiner das Teilchen, desto schneller bewegen sie sich. Die Frage, die sich stellt ist: Wie beeinflusst die Variation der Teilchen Größen die Kinetik in Polymerschmelzen und damit die endgültige Struktur, wie beispielsweise die Verteilung der Porengröße? Das Ziel dieser Bachelorarbeit ist es diese Fragen zu beantworten und damit Hilfestellung für das Entwerfen von Filtern zu stellen. Computermodellierung organischer Monolagen an Metalloberflächen Simulation der Anordnung von Diblock-Copolymer Zylindern durch Scherfluss I Diblock-Copolymere bilden verschiedenste Morphologien aus I Hier: A-Block Zylinder in einer B-Block Matrix Abbildung: Au;S; CH2; CF2 und CF3 bei n = 3, ..., 10; CF2 und CF3 bei n = 11 und 12 Selbstassemblierte Monolagen (SAM) aus organischen Molekülen ermöglichen eine feine Kontrolle über die Eigenschaften der Metalloberflächen auf der Nanoskala und finden zahlreiche Anwendungen in mehreren Gebieten der Materialwissenschaft, wie z.B. in organischer Elektronik, Bio-Sensorik, Benetzung und Herstellung der Schutzbeschichtungen. Durch die Änderung des Verhältnisses der Polymere mit unterschiedlichen Kettenlängen beispielsweise (SC2H4Cn F2n+1 mit n = 10 und 12) kann man die Qualität und Benetzbarkeit der SAM anpassen. Arbeitsgruppe Prof. Dr. Marcus Müller I Spontane Zylinderbildung führt zu Defekten I Untersuchung der Defekt-Auslöschung durch Scherfluss I Werkzeug: Nicht-Gleichgewichts-Simulationen mit GPUs → Weiterentwicklung der Software C++/CUDA I Integration in das Projekt: Anordnung von Lamellen im Scherfluss [email protected] http://www.theorie.physik.uni-goettingen.de/ forschung/mm/ Institut für Theoretische Physik