Multiskalen Molekulardynamik-Simulationen von Zeit-abhängiger Kontaktmechanik

• Antragsteller: Professor Dr. Martin Müser
• Fachliche Zuordnung: Thermodynamik und Kinetik sowie Eigenschaften der Phasen und Gefüge von Werkstoffen ; Theoretische Chemie: Moleküle, Materialien, Oberflächen
• Förderung: Förderung von 2010 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 192177457

Der Antrag beschäftigt sich mit der Frage, wann Adhäsion zwischen festen Körpern auch Reibung bedingt. Aus unserer täglichen Erfahrung erwarten wir unter Umständen eine starke Korrelation der beiden Größen. Diese ist aber aus mikroskopischer Sicht eher nicht zu verstehen, denn Rauigkeit (in der genaueren Sprache der Physik: gebrochene Translationsinvarianz) auf beiden Oberflächen ist Grundvoraussetzung für Reibung. Andererseits wirkt Rauigkeit (und jede Oberfläche ist mikroskopisch rau) der Adhäsion entgegen. Ziel des Antrages ist es, für eine große Klasse an Oberflächen einfache Regeln zu finden, mit deren Hilfe wir als Funktion weniger (vorwiegend -- aber nicht ausschließlich -- mikroskopischer) Parameter vorhersagen können, ob und wie stark (makroskopische) Oberflächen sich anziehen und welche Reibung zwischen den Oberflächen auf Grund der Adhäsion unvermeidbar ist.Zur Klärung der Fragestellung sollen Computersimulationen beitragen, die es einem erlauben, mit mathematischer Genauigkeit die relevanten Parameter zu definieren, also z.B. die genauen Oberflächentopographien, die elastischen Eigenschaften der Festkörper sowie die Wechselwirkung zwischen den Oberflächen. Da fast alle Oberflächen Rauigkeit auf vielen Längenskalen haben (man spricht auch von fraktalen oder selbst-ähnlichen Eigenschaften) müssen die Simulationen diese vielen Skalen widerspiegeln, was wiederum extrem effiziente Rechen-Methoden voraussetzt. Durch den Fortschritt der letzten Jahre konnten bereits Kriterien dafür gefunden werden, wann Oberflächen 'sticky' (klebrig) sind. Um die Fragen zu beantworten 'wie klebrig?' und 'wie viel Reibung ist durch Adhäsion bedingt?', müssen die jedoch Methoden entscheidend weiter entwickelt werden. Ebenso sehen wir ein besseres Verständnis des Effekts der Temperatur, der Wartezeiten, sowie dem Einfluss der Dicke der Festkörper auf die Adhäsion als kritisch für die erfolgreiche Durchführung des Projektes an.Die rein experimentelle Beantwortung der gestellten Fragen ist momentan nicht sinnvoll, weil es noch nicht technisch möglich ist bzw. unvertretbar aufwendig, Oberflächentopographien hinreichend großflächig und genau abzubilden. Zudem können nur Simulationen eine systematische und kontinuierliche Variation der Parameter vornehmen. Experimente bleiben natürlich nichtsdestotrotz unverzichtbar, die Simulationen zu validieren. Sie sollen deshalb von Kollegen außerhalb des Antrags durchgeführt werden.Ziel des Antrags ist es zudem, die neuen Kenntnisse in die Praxis umzusetzen und zur Optimierungen der Geometrie adhäsiver Systeme von praktischem Interesse beizutragen. Dazu sei erwähnt, dass -- nach Einbau aller Features in das Simulationsprogramm -- es lediglich eine Stunde Manpower plus einen Tag Rechenzeit auf einem Supercomputer kosten würde, einen zu optimierenden Parameter in der Simulation zu testen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Niederlande, USA
• Kooperationspartnerinnen / Kooperationspartner: Dr. René Hensel; Professorin Dr. Lucia Nicola; Dr. Bo Nils Johann Persson; Professor W.Gregory Sawyer, Ph.D.