Nanotechnologie

Nanotechnologie und deren Anwendung in Produkten und Prozessen ist mittlerweile ein Schlüsselwort in der industriellen Entwicklung geworden. Nanotechnologische Systeme, die in mindestens einer Raumdimension kleiner als 100 Nanometer sind, zeichnen sich durch ein großes Oberflächen zu Volumenverhältnis aus, woraus sich eine überwältigende Vielzahl von Eigenschaften ergibt die in voluminöseren Materialien nicht zu finden sind. Daraus ergeben sich schier unendlich viele  Potentiale für Produkt- und Prozess-Verbesserungen, die bei weitem noch nicht einmal wissenschaftlich untersucht sind.

In unserer Abteilung haben wir begonnen die Nanotechnologie mit unserer Kompetenz in der mathematischen Optimierung zu unterstützen um die industrielle Nutzung der speziellen Eigenschaften, die sich aus dem großen Oberflächen zu Volumenverhältnis ergeben, zu befördern. In den bisherigen Projektbeispielen folgen wir dabei einem generellen Ansatz: mit Simulationen direkt auf der Nanoskale, meist mit Methoden die jedes einzelne  relevante Atom berücksichtigen, werden die  grundsätzlichen Eigenschaften von Nano-Systemen studiert und in Ersatzmodellen weiter verarbeitet, die dann auf makroskopischen Prozessskalen arbeiten.

Die Nano-Effekte werden dabei versteckt in z.B. effektiven Materialparametern. Mit Hilfe dieser Ersatzmodelle werden dann Prozesse und Produkte  multi-kriteriell optimiert, sodass aufwendige Experimente mindestens reduziert werden und gleichzeitig optimale Prozess- und Produkt-Designs virtuell vorgeschlagen werden.

Beispielprojekte

Molekulare Modellierung und Simulation in der Verfahrenstechnik

Molekulare Methoden erlauben es, in der Verfahrenstechnik auch Aufgaben anzugehen, die mit phänomenologischen Ansätzen derzeit nicht gelöst werden können. Die Kernkompetenz der Arbeitsgruppe liegt hierbei auf der molekularen Modellierung und Simulation mit Kraftfeldmethoden. Auf dem Gebiet werden, auch mit Industriepartnern, neue Kraftfelder realer Stoffe entwickelt und für Vorhersagen interessierender Stoffdaten oder nanoskaliger Prozesse genutzt.

Die Anwendung der molekularen Modellierung und Simulation in der verfahrenstechnischen Prozess- und Produktentwicklung setzt die Verfügbarkeit geeigneter molekularer Modelle zur Beschreibung der Stoffe voraus. Wir entwickeln solche Modelle unter Nutzung unserer Erfahrungen auf den Gebieten der mehrkriteriellen Optimierung, Stoffdaten und molekularer Simulation. Zur Anwendung kommen sie beispielsweise bei der Beschreibung von

  • Oberflächen
  • Grenzflächen
  • Elektrolytlösungen
  • H-Brücken-bildenden Systemen
  • Hydrogelen

Auch bei der Modellierung von Fluiden, basierend auf molekularen Kraftfeldern, erlauben es molekulare Methoden, viele schwierige ingenieurswissenschaftliche Fragen mit Simulationen zu beantworten. Entscheidend sind hier die Kraftfelder, für deren Optimierung sich Dampf-Flüssigkeits-Gleichgewichte als Basis bewährt haben. Die Anpassung der Kraftfeldparameter erfolgte bisher in der Literatur noch wenig systematisch.

NANOPUR - nanostrukturierte Polymer-Membrane für Trinkwasseraufbereitung

Das abgeschlossene EU-Projekt NANOPUR beschäftigte sich mit der effizienten Filterung von Trinkwasser. 12 Partner aus 7 Nationen arbeiteten an nano-strukturierten Membranen, die hohe Permeabilitäten bei gleichzeitig hoher Filterselektivität für Viren und Mikro-Verunreinigungen  und reduziertem Fouling kombinieren sollten.

Am ITWM haben wir diese Entwicklungen mit der Modellierung nano-skaliger Membraneigenschaften begleitet. Die molekulardynamische Modellierung deckte Struktur-Eigenschaftsbeziehungen für Zeta- und Strömungspotentiale auf, die experimentell nur schwer zugänglich sind. Unter Ausnutzung geeigneter molekularer Korrelationen wurde ein Wand-Rheologie-Modell entwickelt und anschließend auf Meso-Skalen als Randbedingungs-Modell in Strömungstransport und Partikel-Anlagerungs-Simulationen verwendet.

Insgesamt konnte damit, durch Vergleich mit experimentellen Daten, einerseits validiert werden, dass dieser Simulationsansatz funktioniert und deutlich billiger durchzuführen ist als Laborexperimente. Andererseits zeigen die Simulationen, dass der Ansatz einer Oberflächenfunktionalisierung nicht immer zu den gewünschten Selektivitäten für die Filtration führt, da entropische Effekte der Adsorption entgegenwirken.