Reaktive coarse-graining Molekulardynamiksimulationen von Nanopartikel/Polymer-Nanokompositen

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Raimund Rolfes
• Fachliche Zuordnung: Computergestütztes Werkstoffdesign und Simulation von Werkstoffverhalten von atomistischer bis mikroskopischer Skala ; Mechanik
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 497066445

Der wachsende technologische Bedarf an neuartigen Hochleistungswerkstoffen stellt heutige Materialwissenschaftler vor große Herausforderungen. Synthetische Nanokomposite werden zunehmend unter Bedingungen eingesetzt, bei denen extreme mechanische Belastungen zu bewältigen sind. Bei der Entwicklung solcher Materialien werden Computersimulationen durch die jüngsten Entwicklungen der Modellierungstechniken und Berechnungskapazitäten unabdingbar. Wenn es jedoch darum geht, Eigenschaften von Nanokompositen vorherzusagen, bleiben die derzeitigen Techniken hinter den Erwartungen zurück, entweder weil sie nicht genügend große Systeme berücksichtigen können (z.B. atomistische Simulationen) oder weil die zugrunde liegende Physik nicht richtig abgebildet wird (z.B. Kontinuumsmechanik). Mit diesem ehrgeizigen Projekt, das interdisziplinär die Fachgebiete Physik, Chemie und Ingenieurwesen verknüpft, schlagen wir eine Lösung für diese Probleme vor. Wir stellen ein neuartiges Multiskalen-Simulationsprotokoll vor, das auf der Anpassung und Verbesserung einiger bestehender Techniken zur Entwicklung von coarse-graining Modellen für nanopartikelverstärkte Polymer-Nanokomposite basiert. Charakteristisch für dieses Projekt ist die Ableitung reaktiver coarse-graining Kraftfelder anhand eines Mapping-Verfahrens aus molekulardynamischen Simulationen aller Atome. Es ermöglicht Simulationen größerer atomistischer Systeme mit einer genauen Beschreibung des Versagens chemischer Bindungen, was für die Modellierung von Schadensmechanismen in Verbundwerkstoffen unerlässlich ist. Die vorgeschlagene Methodik wird auf ein Epoxidharz angewendet, das mit Böhmit-Nanopartikeln verstärkt ist, welche bereits vielversprechende Ergebnisse als Nanofüllstoff gezeigt haben. Wir demonstrieren die Stärke der coarse-graining Kraftfelder bei der Vorhersage der Materialeigenschaften in repräsentativen Volumenelementen in Abhängigkeit von den typischen Synthesevariablen, wie z.B. dem Grad der Polymervernetzung, dem Füllstoffgehalt sowie der Größe und Verteilung der Füllstoffe. Im Rahmen des Projektes werden allgemeine Richtlinien für die Modellentwicklung zusammengefasst, welche die Grundlage dafür bilden, dass coarse-graining Simulationen zu einem wichtigen Berechnungswerkzeug bei der Auslegung zukünftiger Nanokomposite werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen