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Simulation von Materialien

Simulation von Materialien

Die Fortschritte der Materialwissenschaften haben seit jeher den Entwicklungsstand einer Gesellschaft definiert. Materialwissenschaften sind gerade in der deutschen Industrielandschaft eines der zentralen Themen, welche die Grundlage für viele Innovationen in anderen Industriezweigen liefern.

In den Materialwissenschaften hat sich bereits eine stark interdisziplinäre Arbeitsweise herausgebildet, welche in den stark überlappenden Bereichen „Computational Materials Science“, „Computational Physics“ and „Computational Chemistry“ ausgeprägt ist. Simulationen haben sich in den Materialwissenschaften und den benachbarten naturwissenschaftlichen Disziplinen zu einem lebendigen und forschungsstarken Wissenschaftszweig herausgebildet, der vermehrt auch von der Industrie wahrgenommen und aktiv gefördert wird.

Probleme der Materialwissenschaften sind sehr vielfältig und spielen sich typischerweise auf unterschiedlichsten Längen- und Zeitskalen ab. Deshalb zeichnet sich das Feld der Materialsimulationen durch eine Vielzahl verschiedener Simulationsmethoden aus, welche auf die jeweilige Problemklasse zugeschnitten sind:

Auf der kleinsten Längenskala werden in so genannten ab-initio Simulationen atomare Prozesse parameterfrei auf der Grundlage von Naturgesetzen simuliert. Diese quantenmechanischen Methoden erfordern meistens Hochleistungsrechner, erlauben aber vielfältige und quantitative Aussagen zu treffen. Ein solches Programmpaket wird in Clausthal entwickelt und vertrieben.

Auf der makroskopischen Längenskala wird das Material als ein Kontinuum betrachtet, dessen Verhalten von Materialparametern bestimmt wird, die entweder aus dem Experiment bekannt oder durch grundlegendere Simulationen bestimmt wurden. Weil die Simulationstechniken hier weitgehend einheitlich sind, kommen besonders kommerzielle Programmpakete zum Einsatz. Das Hauptinteresse richtet sich hier auf die Modellierung des Problems und die Bestimmung der dabei verwendeten Parameter und Zustandsgleichungen, sowie die Verifikation und die Visualisierung der Resultate.

Zwischen diesen Polen befinden sich eine Vielzahl weiterer Methoden die hier nur einige als Stichworte genannt werden sollen: Monte-Carlo Methoden, Molekularmechanik, Molekulardynamik, Phasenfeldtheorien, Mikrostruktursimulation von Versetzungsnetzwerken und Korngrenzen.

Eine der „Grand Challenges in Computational Materials Science“ ist daher die Multiskalensimulation, die im Idealfall von der ab-initio Simulation bis zur Simulation von Umformprozessen und Herstellungsverfahren reicht. Diese Herausforderung wird einerseits dadurch angegangen, dass Simulationsparameter gezielt von den mikroskopischen Simulationen zu den makroskopischen Simulationen durchgereicht werden. Andererseits werden unterschiedliche Simulationsmethoden in eine einheitliche Simulationsumgebung integriert, um Effekte zu beschreiben, bei denen unterschiedliche Längen- und Zeitskalen nicht mehr entkoppelt werden können. Diese Aktivitäten erfordern die Zusammenarbeit unterschiedlicher Wissenschaftsdisziplinen und profitieren von Zusammenschlüssen, wie sie im Simulationswissenschaftlichen Zentrum geplant sind.

Im Gegensatz zu etlichen anderen Anwendungen von Simulationsverfahren sind Simulationen im Bereich der Materialwissenschaften sehr häufig dadurch gekennzeichnet, dass sie alle verfügbaren, informationsverarbeitenden Ressourcen bis an die Grenzen ausschöpfen müssen, um verwertbare Ergebnisse zu erzielen. Fragen der algorithmischen Komplexität und der Effizienz von Implementierungen sind daher für Fortschritte der Simulationsmethoden in diesem Teilgebiet von entscheidender Bedeutung.