Theorie und Simulation

Am Institut untersuchen wir die strukturellen und dynamischen Eigenschaften klassischer Vielteilchensysteme als Modellsysteme, um Transportphänomene in Schmelzen, viskosen Flüssigkeiten und einer breiten Palette von weichen Materiesystemen zu beschreiben. Zu den Simulationstechniken gehören partikelauflösende Molekulardynamik (MD) Simulationen sowie kontinuumsmechanische Methoden wie Lattice-Boltzmann (LB) Simulationen oder Finite-Elemente-/Finite-Volumen-Methoden (FEM/FVM). Ein Hauptaugenmerk liegt darauf zu verstehen, wie dynamische Prozesse auf mikroskopischer Ebene makroskopische Materialeigenschaften beeinflussen und wie diese dynamischen Prozesse von starken externen Kräften, insbesondere von schwerkraftgetriebenen Strömungen, beeinflusst werden.

Theoretische Beschreibungen basieren auf der Modenkopplungstheorie des Glasübergangs (MCT). In Kombination mit MD-Simulationen liefert dieses theoretische Modell wichtige Einblicke in die generischen Aspekte der Flüssigkeitsdynamik. MCT beschreibt die Dynamik einer Flüssigkeit basierend auf Informationen über ihre statische Struktur; wir kombinieren die Theorie mit experimentell gemessenen Informationen über die statische Struktur, um "First-Principles"-Vorhersagen der Massentransportprozesse in realistischen Modellsystemen für Mehrkomponentenlegierungen zu liefern. Die Theorie wird auch verwendet, um die Dynamik von weichen Materiesystemen unter Fluss zu beschreiben und liefert eine mikroskopische Beschreibung der nichtlinearen Rheologie von kolloidalen Suspensionen oder aufgewirbelten granularen Stoffen. Diese Systeme neigen zu starken nichtlinearen Antworteffekten, die im Vergleich zur nahen Gleichgewichtslinearantwort qualitativ neuartige Phänomene verursachen.

Um zu verstehen, wie diese mikroskopischen Phänomene die makroskopischen Materialeigenschaften beeinflussen, kombinieren wir mikroskopische Theorie mit Meso- und Makroskalen-Simulationstechniken. Insbesondere in glasbildenden Schmelzen und Suspensionen mit ausgeprägter viskoelastischer Reaktion werden Gedächtniseffekte wichtig. Diese führen zu Materialeigenschaften, die von der Verarbeitungsgeschichte des Materials abhängen und die durch die Materialgesetze erfasst werden müssen, die in die kontinuumsmechanischen Gleichungen eingehen und die wir aus mikroskopischen Prinzipien ableiten. Ein prominentes Beispiel sind eingefrorene Restspannungen in glasigen Feststoffen, die durch den Fluss vor der Verfestigung verursacht werden und die die Zähigkeit des Endmaterials dramatisch verändern. Eine solche multiscale Beschreibung von Materialeigenschaften, die von den mikroskopischen Bewegungsgleichungen ausgeht, ist eine große numerische Herausforderung in der computergestützten Strömungsmechanik.

Insbesondere umfassen die theoretischen und simulationsbasierten Arbeiten des Instituts folgende Themen:

- Zusammenhang zwischen Flüssigkeitsstruktur und -dynamik; Einfluss starker Felder auf die Dynamik

- Fest-flüssig-Grenzflächen und ihre Wachstumskinetik