Multiscale Simulation of Microgel Structure

 

Das Projekt befasst sich mit der Untersuchung und Bestimmung von strukturellen Eigenschaften von Mikrogelen in verschiedenen Längenskalen mit Hilfe von atomistischen Simulationen. Die genaue Modellierung und Simulation von Systemen in der Größenordnung von Mikrogelen benötigt eine Reihe von theoretischen Methoden:

• Quantenmechanische Rechnungen zur Bestimmung der intermolekularen Potentiale,
• Kraftfelder zur Anpassung von effektiven Ladungen und zur Ermittlung atombasierter Kräfte,
• Molekulardynamische Simulationen basierend auf solchen Kraftfeldern,
• Mesoskale- oder Coarse-graining-Methoden, die Atombewegungen mitteln oder homogenisieren,
• und Kontinuum-Methoden.

Eine effiziente Verbindung von quantenmechanischen ab initio-Methoden hin zu sowohl größeren Längenskalen mit heterogenen räumlichen Verteilungen als auch längeren Zeitskalen bei Simulationen, stellt eine Herausforderung für die Theorie bzw. die Berechnungen dar, vor allem bei gleichzeitiger Erhaltung der Genauigkeit.

In einer atomistischen Simulation versteht man unter dem Begriff „Teilchen“ ein Atom des betrachteten chemischen Elements. Durch diese einfache Definition kann das Wechselwirkungspotential durch einen Vergleich mit den Ergebnissen aus ab initio-Rechnungen kalibriert werden.

Im Gegensatz zu atomistischen Simulationen sind die quantenmechanischen Potentiale in mesoskaligen Verfahren, in denen ein Teilchen aus mehreren Atomen bestehen kann, nicht verfügbar. Als Konsequenz daraus muss, um unterschiedliche Wechselwirkungen zwischen gebundenen und nicht gebundenen Teilchen zu berücksichtigen, eine mittlere chemische Struktur angenommen werden. Daher wird unter der Bezeichnung mesoskalige Bindung im Allgemeinen eine große Anzahl an chemischen Bindungen verstanden. Die Definition dieser Art von Bindung ist für die thermodynamischen und strukturellen Eigenschaften von Mikrogelen von entscheidender Bedeutung.

Das Ziel des Projektes ist die Entwicklung eines reversiblen Bottom-up- und Top-down-Ansatzes basierend auf atomistischen Molekular-Dynamik–Simulationen, um die Eigenschaften von thermosensitiven Mikrogelen in verschiedenen Zeit- und Längenskalen zu beschreiben.

Dies ist die Basis für ein optimales Designs und eine optimale Analyse bzw. Interpretation der Experimente, sowie der modellbasierten Vorhersage von Phänomenen und des Designs von Mikrogelen in unterschiedlichen Größenskalen für verschiedene Anwendungen.