Beschreibung
Die Agglomeration von Nanopartikeln ist von wachsender Bedeutung in industriellen Fertigungsprozessen von Nanomaterialien, in denen das Wachstum der Agglomerate wesentliche Produkteigenschaften definiert. Daher ist eine Überwachung und Kontrolle der Agglomerate und ihrer Struktur von großer Bedeutung und Gegenstand vieler Forschungsarbeiten. Simulation und Modellierung von Agglomeratbildung in realen Strömungen ist ein typisches Multi-Skalen-Problem in Hinblick auf die Größe der Nanopartikel und die charakteristischen Skalen der meist turbulenten Strömung, und die meisten Studien konzentrieren sich entweder auf einzelne Kollisionen von Teilchen unter Vernachlässigung der turbulenten Skalen oder lösen kleinskalige Phänomene durch semi-empirische Schließungsansätze. Für letztere müssen Annahmen über Teilchenkollisions-Koeffizienten gemacht werden, die stark von Größe und Form der Agglomerate abhängig sind. Die Bewegung von sehr kleinen Partikeln unterliegt der Brownschen Bewegung, während größere Teilchen und ihre Kollisionen eher durch turbulenten konvektiven Transport und die relative Trägheit der Agglomerate bestimmt werden. In der Regel wird der Kollisionskoeffizient a priori geschätzt und Änderungen des Koeffizienten aufgrund von Partikel- und Agglomeratwachstum werden vernachlässigt. Es ist dennoch bekannt, dass Partikel wie z.B. Kohlenstoff-Partikel mit primären Partikelgrößen von wenigen Nanometern Agglomerate bilden können, die wesentlich größer sind und somit sollte sich der Kollisionskoeffizient während der Simulation erheblich ändern. Wie sich die Kollisions Koeffizienten ändern und wie dies modelliert werden kann, ist weitgehend unbekannt und wird Gegenstand dieses Projekts sein.
Projekt A.8 wird die Agglomeration von Nanopartikeln über einen weiten Skalenbereich modellieren, um den Übergang von Partikelagglomeration durch Brownsche Bewegung zur Agglomeration durch turbulenten Transport zu untersuchen. Der Teilchentransport wird durch Lösung der Langevin-Gleichungen mit Hilfe der Software ESPRESSO für Molekulardynamik-Simulationen simuliert, das Strömungsfeld wird mit Hilfe der Navier-Stokes-Gleichungen ermittelt. Zwei Codes müssen kombiniert werden, um Aussagen zur gegenseitigen Beeinflussung von Partikeln und Turbulenz machen zu können. Die Kollisionsdynamik und Bildung von Agglomeraten werden durch Berechnung der Kräfte zwischen den Partikeln, den Partikeln und Agglomeraten und den multiplen Agglomeraten in drei Dimensionen untersucht, wobei nicht nur atomistische Skalen sondern auch Mesoskalen kombiniert mit mikro-turbulenten Skalen berücksichtigt werden. Für viele industriell relevante Produktionsprozesse von Nanopartikeln ermöglicht dies zum ersten Mal eine einheitliche Analyse des Wachstums der Agglomerate aus Partikelnukleation im Nanometerbereich bis hin zu komplexen Strukturen im Mikrometerbereich.