Optimierung molekular-informierter Feldtheoriesimulationen für das In Silico Design von Polymerformulierungen

• Antragsteller: Dr. Niklas Blagojevic
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle und Theoretische Polymerphysik ; Statistische Physik, Nichtlineare Dynamik, Komplexe Systeme, Weiche und fluide Materie, Biologische Physik
• Förderung: Förderung seit 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 566501953

Polymerformulierungen spielen eine wichtige Rolle in einer Vielzahl von Anwendungen, von Verbraucherprodukten und medizinischen Anwendungen bis hin zu Beschichtungen und Klebstoffen. Die Entdeckung und Optimierung neuer Formulierungen, insbesondere biologisch abbaubarer und erneuerbarer Alternativen, gewinnt zunehmend an Bedeutung. Das komplexe Zusammenspiel von Phasenverhalten, Viskoelastizität und Selbstorganisation in Mehrkomponentensystemen stellt jedoch eine große Herausforderung dar. Die computergestützte Modellierung zur Erforschung neuer Formulierungen bietet eine effiziente Alternative zu experimentellen Trial-and-Error-Ansätzen. Eine genaue Vorhersage des Phasenverhaltens erfordert jedoch die Auflösung der Prozesse über einen weiten Bereich von Zeit- und Längenskalen, was häufig mit hohem Rechenaufwand verbunden ist. Hier sind Multiskalenansätze hilfreich, die Simulationen auf den für die Vorhersage des Phasenverhaltens notwendigen Skalen ermöglichen und gleichzeitig die chemische Spezifität erhalten. Der Fokus des Projekts liegt auf molekular-informierten Feldtheorien, eine kürzlich vorgeschlagene Multiskalenmethode, welche es erlaubt, recheneffiziente feldtheoretische Simulationen durchzuführen und gleichzeitig die Spezifität auf molekularer Ebene zu erhalten, um somit effizient das Phasenverhalten von Polymerformulierungen vorherzusagen. Die Methode besteht aus mehreren Schritten: All-Atom-Simulationen erfassen die chemische Spezifität, die systematisch in ein vergröbertes partikelbasiertes Modell übertragen und anschließend in feldtheoretische Beschreibungen überführt wird, die dann mit feldtheoretischen Simulationen effizient evaluiert werden. Die Methode ist sehr anpassungsfähig und bietet verschiedene Möglichkeiten zur Verfeinerung und Erweiterung. Ziel dieses Forschungsvorhabens ist die systematische Optimierung und Validierung der verschiedenen Schritte des Workflows und die Erweiterung der Anwendbarkeit auf komplexere Mischungen. Die Optimierung wird zunächst an dem experimentell gut charakterisierten Poly(ethylenoxid)-Wasser-System durchgeführt - einem System mit einfacher Zusammensetzung, aber komplexem Phasenverhalten. Anschließend wird die Methode auf Poly(ethylenoxid)-Poly(propylenoxid)-Blockcopolymersysteme mit zusätzlicher molekularer Komplexität und Selbstorganisationsverhalten angewendet und optimiert. Schließlich wird die Methode erweitert, um die Simulation von Polymer-Kolloid-Mischungen zu ermöglichen. Die Ergebnisse dieses Projekts werden zu einer umfassenden Multiskalen-Methodik beitragen, die eine effiziente in-silico-Forschung neuer Polymerformulierungen ermöglicht und die Entdeckung neuer Materialien für ein breites Spektrum von Anwendungen beschleunigt.

• DFG-Verfahren: WBP Stipendium
• Internationaler Bezug: USA
• Gastgeber: Professor Dr. Glenn Fredrickson