Multiskalen-Simulationsmethoden für Systeme der weichen Materie

Computersimulationen der Mischung einer Warmluftblase (rot) mit einer Kaltluftblase (blau). Die Farbe zeigt die Temperaturüberschreitung in Bezug auf den Mittelwert an (rot + 0,5 ° C, blau -0,15 ° C). Die Größe der Simulationsbox beträgt 1km.

Computersimulationen der Mischung einer Warmluftblase (rot) mit einer Kaltluftblase (blau). Die Farbe zeigt die Temperaturüberschreitung in Bezug auf den Mittelwert an (rot + 0,5 ° C, blau -0,15 ° C). Die Größe der Simulationsbox beträgt 1km. Basierend auf Block, B.J., Lukáčová-Medvid’ová, M., Virnau, P. et al. Eur. Phys. J. Spec. Top. (2012) 210: 119. https://doi.org/10.1140/epjst/e2012-01641-0

Die Eigenschaften weicher Materie  wie zum Beispiel Flüssigkristalle, Polymere, Kolloide, Membranen  werden durch ein subtiles Wechselspiel von Energie und Entropie bestimmt. Winzige Änderungen der molekularen Wechselwirkungen können große Änderungen der makroskopischen Eigenschaften eines Systems nach sich ziehen. Eine Folge davon ist, dass typische weiche Materialien Strukturen auf räumlichen Skalen von Subnanometern bis Millimetern aufweisen und dass die typischen Zeitskalen dynamischer Prozesse von Sub-Pikosekunden bis hin zu Minuten oder gar Jahren reichen. Die Simulation solcher Materialien auf Computern ist eine gewaltige Herausforderung und nur mit sogenannten Multiskalentechniken überhaupt möglich.

In dem SFB/Transregio 146 arbeiten Physiker, Chemiker, Mathematiker, Informatiker und Ingenieure der Johannes Gutenberg-Universität Mainz, des Max-Planck Instituts für Polymerforschung und der Technischen Universität Darmstadt gemeinsam an einigen der drängendsten Problemen in der Multiskalenmodellierung weicher Materie. Es geht dabei unter anderem um die Entwicklung neuer Multiskalenkonzepte zur Simulation von Transport und Nichtgleichgewichtsprozessen, aber auch um die rigorose mathematische Analyse etablierter Multiskalenalgorithmen für Gleichgewichtssysteme – mit dem Ziel ihrer systematischen Verbesserung oder die Entwicklung adaptiver Modelle, bei denen hochaufgelöste und vergröberte Regionen in einer Simulation variabel festgelegt werden können. Teilchenbasierte Multiskalenmodelle aus Physik und Chemie werden mit Kontinuumsmodellen aus der Mathematik und den Ingenieurwissenschaften zusammengebracht, um das Forschungsgebiet als Ganzes voran zu bringen.

Die Langzeitvision ist es, einen Stand zu erreichen, in dem Multiskalentechniken quasi routinemäßig bei der Simulation "realer Anwendungen" von weichen Materialien im Gleichgewicht und Nichtgleichgewicht eingesetzt werden können. 

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