Beschreibung
Mit der Nanotechnologie hat die Miniaturisierung fluidtechnischer Apparate Abmessungen im molekularen Bereich erreicht. Dies führt zu qualitativ neuen, ungelösten Herausforderungen an die Modellierung und Simulation. Klassische Ansätze zur Beschreibung von Strömungsvorgängen beruhen auf der Kontinuumsannahme und versagen beim Übergang in den Nanobereich. Die Molekulardynamik (MD) hingegen ermöglicht hier eine realistische Beschreibung. In der Vergangenheit konnte die MD-Simulationsmethode nur auf sehr kleine Systeme mit wenigen tausend Teilchen angewendet werden. Das hatte eine große Lücke zwischen den Ergebnissen aus MD-Simulationen einerseits und Experimenten sowie kontinuumsmechanischen Simulationen andererseits zur Folge.
Ziel dieses Teilprojekts ist es, diese Lücke zu schließen. Dazu werden MD-Simulationen für mehrphasige Fluide und Strömungen realer Flüssigkeiten in nanoskaligen Geometrien für reale Wandmaterialien durchgeführt. Unter konsequentem Einsatz massiv-paralleler Rechenanlagen werden extrem große Teilchenzahlen betrachtet, um so langfristig bis in den mikroskopischen Größenbereich vorzustoßen. Deshalb werden mehrphasige Fluide und ihr Strömungsverhalten für charakteristische Längen zwischen einem Nanometer und einem Mikrometer untersucht. Dadurch sind Ergebnisse von grundlegender Bedeutung für viele Bereiche der Nanotechnologie zu erwarten, die auch eine Grundlage für die Entwicklung hybrider Modelle im Projekt A.2 bilden.
Für das Teilprojekt sind daher insbesondere die Phasenübergänge und Grenzflächen zwischen Dämpfen und Flüssigkeiten von Bedeutung. Beispielsweise ist der Gegensatz zwischen der stark gekrümmten Oberfläche nanoskaliger Phasen und mikroskopischen, auf molekularer Ebene quasi-planaren Phasengrenzflächen ist experimentell kaum zuverlässig zu untersuchen. Die massiv-parallele MD-Simulation von Systemen mit großen Teilchenzahlen erlaubt es dagegen, beispielsweise die Bildungsenergie von Tropfen verschiedener Größenskalen und ihren Einfluss auf die Nukleation in übersättigten Dämpfen genau zu bestimmen [1-4]. Durch die Beschränkung mehrphasiger Systeme auf nanoskalige Volumina ist es dabei möglich, unter anderen Bedingungen instabile Phasengleichgewichte zu stabilisieren [4].
Die dafür erforderlichen informationstechnischen Fortschritte werden in Zusammenarbeit mit dem Projekt D.1 erzielt [1]. Dazu wurde das Tersoff-Mehrkörperpotential zur Modellierung realer Wandmaterialien wie Silizium, Graphit oder Kohlenstoffnanoröhren implementiert. Betrachtet werden somit zwei geometrische Fälle, die ebene Strömung zwischen zwei parallelen Wänden (z.B. aus Graphit) und die Durchströmung von Nanoröhren. Damit sollen Grundlagen für eine Beschreibung nanoskaliger Strömungsphänomene auf höheren und für die Praxis tauglichen Modellierungsebenen geschaffen werden.
[1] M. Bernreuther, C. Niethammer, M. Horsch, J. Vrabec, S. Deublein, H. Hasse & M. Buchholz: Innovative HPC methods and application to highly scalable molecular simulation. Innovatives Supercomputing in Deutschland 7(1): 50-53 (2009).
[2] M. Horsch, J. Vrabec, M. Bernreuther, S. Grottel, G. Reina, A. Wix, K. Schaber & H. Hasse: Homogeneous nucleation in supersaturated vapors of methane, ethane, and carbon dioxide predicted by brute force molecular dynamics. The Journal of Chemical Physics 128: 164510 (2008).
[3] J. Vrabec, M. Horsch & H. Hasse: Molecular dynamics based analysis of nucleation and surface energy of droplets in supersaturated vapors of methane and ethane. ASME Journal of Heat Transfer 131: 043202 (2009).
[4] M. Horsch, J. Vrabec & H. Hasse: A modification of the classical nucleation theory based on molecular simulation data for surface tension, critical nucleus size, and nucleation rate. Physical Review E 78: 011603 (2008).