Molekulardynamische Simulation der Gas-Flüssig Keimbildung in wässrigen Systemen.

• Antragsteller: Privatdozent Dr. Thomas Kraska
• Fachliche Zuordnung: Chemische und Thermische Verfahrenstechnik ; Physikalische Chemie von Molekülen, Flüssigkeiten und Grenzflächen, Biophysikalische Chemie
• Förderung: Förderung von 2015 bis 2019
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 261106610

Das Gebiet der Keimbildung aus der Gasphase hat sich in den letzten Jahrzehnten in der Forschung stark weiterentwickelt. Ursachen hierfür sind die Relevanz für unterschiedliche technische Anwendungen, die Entwicklungen auf den Gebieten der Theorie und Simulation, sowie die Weiterentwicklung experimenteller Methoden zur Analyse der frühen Stadien der Bildung einer neuen Phase.Es ist das Ziel dieses Projektes die mikroskopischen Effekte bei der Keimbildung in binären Systemen zu untersuchen und Zusammenhänge mit experimentellen Beobachtungen herzustellen. Bei der Auswahl der Stoffsysteme ist es neben einer großen Bandbreite von hoch-symmetrischen bis hin zu stark asymmetrischen Systemen auch wichtig, dass für die gewählten Systeme hinreichend experimentelle Daten der Keimbildung vorhanden sind. Mögliche technische Anwendungen werden ebenfalls in Betracht gezogen. Auf Grundlage dieser Kriterien sowie der großen allgemeinen Bedeutung fiel die Wahl auf Wasser als eine Komponente der binären Systeme. Als erster und maximal symmetrischer Fall sollen Mischungen aus Wasser und schwerem Wasser betrachtet werden. Neben der unterschiedlichen Masse hat schweres Wasser auch minimal andere Wechsel¬wirkungs¬parameter. Für dieses System existieren experimentelle Daten der Keimbildungsraten sowie der Zusammensetzung der kritischen Cluster. Es ist das Ziel der Untersuchung eines solchen symmetrischen Systems, Daten für ein Referenzsystem zu erhalten, das als Grenzfall in jeder binären Keimbildungstheorie enthalten sein muss. Komplementär dazu stellt das System Wasser/Methan ein stark asymmetrisches Stoffsystem dar. Es ist technisch relevant, zum Beispiel bei der Trocknung von Erdgas, welche durch einen Keim¬bil¬dungs¬prozess durchgeführt werden kann. Das dritte System besteht aus 1-Butanol und Wasser. Aufgrund der Polarität von Butanol ist dieses System weniger asymmetrisch als das Wasser/Methan System. Interessant ist es insbesondere vor dem Hintergrund, dass Wasser/1-Butanol eines der wenigen Systeme ist, zu dem experimentelle Untersuchungen nicht nur zur Keimbildung, sondern auch zur Struktur der sich bildenden Tröpfchen vorliegen. Neben der Analyse von binären Systemen unterschiedlicher Symmetrie soll auch der in der Verfahrenstechnik relevante Einfluss des Drucks auf die Bildung der neuen Phase untersucht werden. Augenmerk wird auch auf Systeme gelegt, von denen bekannt ist, dass sie Clusterstrukturen aufweisen, die stark von dem aufgrund des Bulkphasenverhaltens zu erwartenden Verhalten abweichen. Methodisch soll unter anderem ein Verfahren zur Konstruktion der Fläche der Keimbildungsarbeit als Funktion der Zahl der Moleküle der Sorte A und der Sorte B entwickelt werden. Dabei wird die Statistik der Clusterwachstums- und Verdampfungsprozesse aufgestellt und ausgewertet.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen