ATOMISTICA



Die Molekulardynamik- und Mesopartikel-Software
des
Fraunhofer-Instituts für Werkstoffmechanik IWM



Abrieb eines Hexadekan-geschmierten Goldnanokontaktes



Inhalt

Das flexible Softwarepaket zur Multiskalenmodellierung

Leistungsübersicht

Ansprechpartner

Beispielanwendungen

Publikationen



Das flexible Softwarepaket zur Multiskalenmodellierung

Durch skalenübergreifende Simulation statischer und dynamischer Eigenschaften von Werkstoffsystemen werden makroskopische Material-, Bauteil- und Prozesseigenschaften mit mikrostrukturellen Mechanismen in Beziehung gesetzt. Dieser Zugang, der die Brücke zwischen Atomistik, Mesoskopik und Kontinuum schlägt, ermöglicht eine grundlegende Optimierung industrieller Materialsyntheserouten und Prozessführungen.

Die Philosophie von ATOMISTICA ist der modulare Aufbau der Software. Ein performanter Rechenkern verwaltet die zu beschreibenden physikalischen Objekte. Je nach Skala sind das z.B. Atome, Moleküle, Cluster oder auch Fluide und Festkörper. Der mittels message passing interface (MPI) parallelisierte Rechenkern verteilt die Objekte auf die zur Verfügung stehenden Prozessoren und sorgt fortlaufend für eine Lastbalancierung. So können sehr große Systeme mit vertretbarem Zeitaufwand simuliert werden. Die nötige Rechenleistung stellt ein IWM-eigener Cluster mit 100 Opteron Quad-Core CPUs bereit.

Die physikalische Modellierung kommt durch das Kraftmodul in Spiel, welches die Wechselwirkung zwischen den Objekten beschreibt. Die Palette bereits vorhandener Module reicht von atomaren Potentialen (z.B. Lennard-Jones, Tersoff, Brenner), über Fluidmodelle (Dissipative Partikeldynamik, Smoothed Particle Hydrodynamics) bis hin zu Kontaktmodellen für Festkörper (Hertzsche Pressung, Johnson-Kendall-Roberts-Kohäsion, Coulomb-Reibung).

Detaillierte Analysen der Simulationen sind durch den Zugriff auf Größen wie Energie, Spannung, Temperatur, Dichte, Trajektorien, Strömungsprofile etc. möglich. Neben diagrammatischen Darstellungen werden frei verfügbare Tools zur ansprechenden und aussagekräftigen Visualisierung der Simulationsergebnisse eingesetzt.



Leistungsübersicht

·     Simulation als »numerische Lupe« zur Identifikation nano- und mikroskaliger Designregeln

·     Gezielte Methoden- und Algorithmenentwicklung für die Multiskalenprobleme unserer Kunden

·     Wissensbasierte Reduktion von Versuchs-Irrtums-Schleifen bei der Produktentwicklung

·     Modellierung tribologischer Systeme mit dem Ziel der Reibungs- und Verschleißminderung

·     Mechanismenorientierte Simulation diverser Beschichtungsprozesse

·     Mesopartikelbeschreibung von Kornwerkstoffen und komplexen Fluiden (z.B. Suspensionen)

·     Ausschöpfen des inhärenten Potentials der Nanotechnologie durch Vorhersage neuer Größeneffekte



Ansprechpartner

Prof. Dr. Michael Moseler

Tel.: +49 761 5142-332

michael.moseler[at]iwm.fraunhofer.de



Beispielanwendungen

Erzeugung eines Nanojets

Multiskalenmodellierung

Die Kontinuumsbeschreibung von Prozessen und Werkstoffen benötigt verlässliche konstitutive Materialgleichungen um erfolgreich Material- und Bauteilverhalten vorhersagen zu können. In der Vergangenheit war meist nur eine empirische Formulierung dieser Konstitutivgesetze möglich. Inzwischen können diese jedoch mittels mesoskopischer, atomistischer und quantenmechanischer Modellierung auf die grundlegenden Mechanismen zurückgeführt und damit entscheidend verbessert werden. Die Skalenkopplung ermöglicht eine nahtlose Beschreibung von Werkstoffsystemen durch elektronische und atomistische Elementarprozesse, indem Informationen von der Nanoskala durch eine Simulationskette bis hin zur Makroskala durchgereicht werden.

Kollision zweier Diamantasperitäten

Nanotribologie

Die Komplexität von Reibungsphänomenen beruht auf ihrer inhärenten Multiskaligkeit. Das computergestützte Design von Tribokontakten deckt daher alle Skalen von der atomistischen Beschreibung des Kontaktes bis hin zur Elastohydrodynamik des Schmierspaltes ab. Quantenchemische Rechnungen beschreiben mögliche Reaktionen zwischen Grundschmierstoff, Additiven, Sauerstoff und den beteiligten Oberflächen. Molekulardynamische Simulationen liefern die Randbedingungen für kontinuumsmechanische Schmiermittelsimulationen. Molekulardynamische und mesodynamische Simulationen erhellen den Einfluss von Mikro- und Nanostrukturierung der Triboflächen auf das Reibungsverhalten und geben Designregeln für die Strukturierung vor. Die mesoskopische Modellierung der Dynamik nicht-newtonscher Schmierstoffe trägt zur Optimierung der Scherströmungen bei.

Warum kann man Diamant polieren? (Fraunhofer IWM Jahresbericht 2008)

Wachstum eines Films aus diamantähnlichem Kohlenstoff

Schichtwachstum

Die optimale Auslegung von Beschichtungsprozessen wird immer noch durch die Notwendigkeit einer großen Anzahl von Vorversuch erschwert. Die Simulation hilft hier das Prozessfenster drastisch einzuschränken indem sie die relevanten mikroskopischen Mechanismen identifiziert, die zu einer gewünschten Mikrostruktur oder Topographie führen.

Warum sind sehr dünne amorphe Kohlenstoffschichten fast atomar glatt? (Fraunhofer IWM Jahresbericht 2004)

Drahtsägeprozess

Partikelsimulation

Zur Simulation von Fertigungsprozessen mit Kornwerkstoffen, Flüssigkeiten oder Suspensionen werden partikelbasierte Simulationsmethoden eingesetzt und weiterentwickelt. Die Diskrete Elemente Methode (DEM) beschreibt die Morphologie, Wechselwirkung und Dynamik einzelner Körner. In Verbindung mit der Dissipativen Partikeldynamik (DPD) eignet sie sich zur Simulation von Suspensionen, wie sie beispielsweise als Abrasiv beim Drahtsägen von Siliziumwafern auftreten. Mithilfe von Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH) lassen sich Fluide mit komplexer Rheologie beschreiben. Partikelbasierte Simulationsmethoden sind somit als Ergänzung zur kontinuumsmechanischen Prozess- und Bauteilsimulation mittels der Finite Elemente Methode (FEM) zu verstehen. Ihre Verwendung ist insbesondere dann sinnvoll, wenn der granulare oder fluidische Charakter eines Werkstoffs einen Prozess dominiert.

Dichteverteilungen beim Matrizenfüllen (Fraunhofer IWM Jahresbericht 2007)

Zerfall eines Silbernanopartikels durch eine C60 -Monolage hindurch.

Nanomaterialien

Gewöhnlich nutzt man Skalenansätze in der Miniaturisierung von Bauteilen d.h. man vertraut darauf, dass die Physik, die in großen Systemen vorliegt, sich im Kleinen fortsetzt. Unterschreiten jedoch die Dimensionen eines Bauteils oder einer Struktureinheit eines Materials eine gewisse intrinsische Größe (z.B. die de-Broglie-Wellenlänge der Leitungselektronen), dann kann das Material völlig neue Eigenschaften aufweisen. Die Hoffnungen, die häufig in die Nanotechnologie gesetzt werden, beruhen darauf, dass diese Eigenschaften durch die Systemgröße gesteuert werden können. Hierbei sind theoretische Vorhersagen besonders wertvoll, da sie dazu beitragen, die teuren experimentellen Versuchs-Irrtums-Schleifen auf ein Minimum zu begrenzen. Unserer Anwendungen reichen von der Verstärkung von Leichtmetallen mit Kohlenstoffnanoröhrchen, über das Design von Nanokatalysatoren bis hin zum elektronischen Transport in Nanosystemen.

FIRE: Optimierung einfach gemacht (Fraunhofer IWM Jahresbericht 2006)

Ein Alkan imprägniert Goldnanopore

Nano- und Mikrofluidik

Mittels Molekulardynamik und Smoothed Particle Hydrodynamics kann das Fließen kleiner Flüssigkeitsmengen in Behältnissen sowie mit freien Oberflächen sehr wirklichkeitsnah simuliert werden. Nutznießer dieser Rechnungen sind Konstrukteure nano- und mikrofluidischer Bauteile, wie z.B. kapillare Pumpen, Injektionsdüsen und fluidische Weichen. Auch die Tribologie profitiert durch ein vertieftes Verständnis der Schmierstoffdynamik in engen Spalten.

Ionentransport in Nanotube-Rasen

Li-Ionenbatterien

Moderne Batterietechnologie setzt zunehmend auf nanostrukturierte Materialien für die Kathode sowie die Anode. Hierbei ist es möglich die Transportprozesse zu den Oberflächen, die Interkalation von Lithium in die Materialien als auch mögliche chemische Degenerationsmechanismen des Elektrolyten an den Elektroden mittels atomistischer Methoden abzubilden. Hierdurch wird das Prozessverständnis unterstützt was wiederum zur Optimierung der beteiligten Materialien genutzt werden kann.

Funktionelle Carboxylgruppe auf einem CNT

Kohlenstoffnanoröhrchen

Here we have what is almost certainly the strongest, stiffest, toughest molecule that can ever be produced, the best possible molecular conductor of both heat and electricity.“ - R.E. Smalley

Ihre herausragenden elektrischen und mechanischen Eigenschaften, wie im Zitat von Nobelpreisträger Richard E. Smalley beschrieben, verheißen Kohlenstoffnanoröhrchen (engl. Carbon nanotubes - CNT) eine äußerst vielversprechende Zukunft für Anwendungen im Elektronikbereich sowie als Kandidaten zur gezielten Verbesserung von Materialeigenschaften hybrider CNT-Systeme. Simulationsmethoden von der Dichtefunktionaltheorie bis hin zur Molekulardynamik liefern hierbei wichtige Ergebnisse über die intrinsischen CNT-Eigenschaften. Vor allem aber führen sie zu einem Verständnis der Wechselwirkung von CNT mit externen Systemen in anwendungsrelevanten Situationen.





Publikationen

·         L.Pastewka, R.Salzer, A.Graff, F.Altmann, M.Moseler, Surface amorphization of silicon during Ga+ focused-ion beam milling, Nucl. Inst. & Methods B, accepted (2009)

·         C.Hormann, S.Meier, M.Moseler, The importance of non-local shadowing for the topography evolution of a-C:H films grown by toluene based plasma enhanced chemical vapor deposition, EPJ B, accepted (2009)

·         C. Bierwisch, T. Kraft, H. Riedel, M. Moseler, Three-dimensional discrete element models for the granular statics and dynamics of powders in cavity filling, J. Mech. Phys. Solids 57, 10 (2009)

·         L. Pastewka, P. Pou, R. Perez, P. Gumbsch, M. Moseler, Describing bond-breaking processes by reactive potentials: the importance of an environment-dependent interaction range, Phys. Rev. B (R) 78, 161402 (2008)

·         B. Henrich, C. Cupelli, M. Moseler, M. Santer, An adhesive DPD wall model for dynamic wetting, Europhys. Lett. 80, 60004 (2007)

·         A.Wonisch, O. Guillon, T. Kraft, M. Moseler, H. Riedel, J. Rödel, Stress-induced anisotropy of sintering alumina: Discrete element modelling and experiments, Acta Materialia 55, 5187 (2007)

·         S.Duffe, T.Irawan, M.Bieletzki1, T.Richter, B.Sieben, C.Yin, B.von Issendorf, M. Moseler, H.Hövel Softlanding and STM imaging of Ag561 clusters on a C60 monolayer, Euro. Phys. J. D 45, 401 (2007)

·         O. Kostko, B. Huber, M. Moseler, B. v. Issendorff, Structure of medium sized sodium clusters. Phys. Rev. Lett. 98, 043401 (2007)

·         P. Koskinen, H. Häkkinen , B. Huber, B. v. Issendorff, M. Moseler, Liquid-Liquid Phase Coexistence in Gold Clusters: 2D or not 2D? Phys. Rev. Lett. 98, 015701 (2007)

·         M. Mrovec, M. Moseler, C. Elsässer, P. Gumbsch, Atomistic modeling of hydrocarbon systems using analytic bond-order potentials, Progress in Materials Science 52, 131 (2007)

·         B. Yoon, P. Koskinen, B. Huber, O. Kostko, B. von Issendorff, H. Häkkinen, M. Moseler and U. Landman, Size-dependent Structural Evolution and Chemical Reactivity of Gold Clusters, Chem. Phys. Chem. 8, 157 (2007)

·         B. Henrich, A. Wonisch, T. Kraft, M. Moseler, H. Riedel, Discrete Element Simulations on the Influence of Rearrangement during Sintering, Acta Materialia 55, 753 (2007)

·         E. Bitzek, P. Koskinen, F. Gähler, M. Moseler, P. Gumbsch, Structural Relaxation Made Simple. Phys. Rev. Lett. 97, 170201 (2006)

·         B. Huber, H. Häkkinen, U. Landman and M. Moseler, Oxidation of gas phase Pd clusters: a density functional study, Comp. Mat. Sci. 35, 371 (2006)

·         H. Häkkinen and M. Moseler, 55-atom clusters of silver and gold: Symmetry breaking by relativistic effects Comp. Mat. Sci. 35, 332 (2006)

·         M. Moseler, P. Gumbsch, C. Casiraghi, A. Ferrari, J. Robertson, The ultrasmoothness of diamond-like carbon surfaces, Science 309, 1545 (2005)

·         M. Moseler, H. Riedel, P. Gumbsch, J. Stäring and B. Mehlig, Understanding the phase transition from fullerite to amorphous carbon at the microscopic level, Phys. Rev. Lett. 94, 165503 (2005)

·         M. Moseler, H. Häkkinen and U. Landman, Supported magnetic nanoclusters: Softlanding of Pd clusters on a MgO surface, Phys. Rev. Lett. 89, 176103 (2002)

·         H. Häkkinen, M. Moseler, and U. Landman, Bonding in Cu, Ag and Au clusters: Relativistic effects, trends and surprises, Phys. Rev. Lett. 89, 033401 (2002)

·         O.Rattunde, M.Moseler, A.Häfele, J.Kraft, D.Rieser, H.Haberland, Surface smoothing by energetic cluster impact, J. Appl. Phys. 90, 3226 (2001)

·         M.Moseler and U.Landman, Formation, Stability and Breakup of Nanojets, Science  289, 1165 (2000)

·         M.Moseler, O.Rattunde, J.Nordiek, H.Haberland, On the origin of surface smoothing by energetic cluster impact: molecular dynamics simulation and mesoscopic modelling, Nucl. Inst. & Methods B 164, 522 (2000)