Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Crash-Simulationen an Molekülstrukturen

06.08.2009
Zienkiewicz-Preis 2008 an Dr.-Ing. Jens Wackerfuß

Dr. Jens Wackerfuß vom Fachgebiet Festkörpermechanik der TU Darmstadt wird am 23. Oktober 2009 in London mit dem "Zienkiewicz Medal and Prize 2008" ausgezeichnet.

Er erhält den Preis für seine Veröffentlichung "Molecular mechanics in the context of the finite element method". Dr. Wackerfuß ist der erste deutsche Wissenschaftler, der diese Auszeichnung erhält.

In seiner Veröffentlichung stellt Jens Wackerfuß ein effizientes numerisches Verfahren vor, das zur Simulation des mechanischen Verhaltens von atomaren Strukturen dient. Ähnliche Verfahren werden bereits in unterschiedlichen Bereichen der Ingenieurwissenschaften verwendet, zum Beispiel bei Crash-Simulationen in der Automobilindustrie.

Motiviert wurde die Arbeit von Dr. Wackerfuß durch die jüngst erzielten Fortschritte bei der systematischen Herstellung von Molekülstrukturen. Derartige Strukturen besitzen ein großes Anwendungspotential im Bereich der Nanotechnologie. Da experimentelle Untersuchungen an diesen winzigen Bauteilen sehr aufwendig sind, spielen computerunterstützte Simulationsverfahren eine immer wichtigere Rolle.

Dr. Wackerfuß setzte das von ihm entwickelte numerische Verfahren zur Untersuchung von "carbon nanotubes" (CNTs) ein. CNTs zeichnen sich durch hervorragende mechanische, elektrische und optische Eigenschaften aus und spielen daher eine wichtige Rolle bei neuen Anwendungen im Bereich der Nanotechnologie. Ein CNT besteht aus Kohlenstoffatomen, die in einem hexagonalen Gitter angeordnet und zu einer zylinderförmigen Struktur aufgerollt sind. Der in der Abbildung 1 schematisch (in drei senkrecht zueinander stehenden Ansichten) dargestellte CNT besteht aus insgesamt 799 Atomen.

Ein Defekt in Form eines fehlenden Atoms wurde in der Mitte der ca. vier Nanometer langen Struktur eingeführt. Zur Bestimmung der Torsionsfestigkeit des CNT werden die beiden Enden schrittweise axial gegenseitig verdreht. Der gesamte Deformationsprozess konnte an einem normalen Arbeitsplatzrechner innerhalb weniger Sekunden berechnet werden, was die Effizienz des neu entwickelten Verfahrens zeigt. Das Ergebnis der Finite-Element-Simulation ist in Abbildung 2 und 3 in Form des deformierten CNT dargestellt. Man erkennt deutlich das Ausbilden eines Scherbandes, das sich - ausgehend von der Defektstelle - diagonal über die Struktur erstreckt.

Im Detail
Jens Wackerfuß ist es gelungen, die mathematischen Gleichungen der Molekularmechanik in den Formalismus der Finite-Element-Methode (FEM) systematisch einzubetten. Dabei wird in erster Linie das mathematische Gerüst der modular aufgebauten FEM ausgenutzt; eine Approximation im eigentlichen Sinne eines Diskretisierungsverfahrens findet dagegen nicht statt.

Die von Dr. Wackerfuß entwickelte Methode ist in der Lage die Potentialfunktionen, die die interatomaren Wechselwirkungen beschreiben, mathematisch exakt abzubilden. Ausgehend von einer Charakterisierung und Parametrisierung der interatomaren Wechselwirkung gelingt es ihm erstmals, einen eindeutigen Zusammenhang zwischen dem spezifischen Wechselwirkungsverhalten und dem zugehörigen Finite-Elementtyp herzustellen. Das Verfahren kann somit auf beliebige atomare Strukturen angewendet werden.

Einfach integrierbar
Die Methode lässt sich einfach in bereits existierende Finite-Element-Codes implementieren. Dazu werden die neu entwickelten Elementtypen mit Hilfe der üblichen Schnittstellen in den Code eingebettet. Zur mechanischen Analyse von atomaren Strukturen kann somit automatisch auf alle im jeweiligen Code bereits implementierten Tools zurückgegriffen werden. Dies betrifft, neben effizienten Gleichungslösern oder dem "Postprocessing", auch spezielle numerische Verfahren, die zum Lösen besonderer Ingenieurprobleme (z.B. mechanische Instabilitäten) entwickelt wurden. Wie Dr. Wackerfuß in seiner Arbeit gezeigt hat, ist auch die Kombination der von ihm entwickelten Finite-Elemente mit Standard-Finite-Elementen möglich. Eine Eigenschaft, die beispielsweise bei der Entwicklung von Mehrskalenmodellen ausgenutzt werden kann.
Leicht übertragbar
Eine weitere Anwendung findet die von Dr. Wackerfuß entwickelte Methode im Bereich der Biochemie. Wissenschaftler einer Forschungseinrichtung in Heidelberg, die sich mit der Modellierung von Molekülen und Zellen beschäftigen, sind auf die Veröffentlichung von Dr. Wackerfuß aufmerksam geworden. Mittlerweile besteht eine Kooperation mit dem Ziel, die entwickelte Methode für die Beschreibung von Dockingprozessen bei Proteinen einzusetzen.
Zum wissenschaftlichen Werdegang von Dr. Wackerfuß:
Jens Wackerfuß studierte Bauingenieurwesen an der Technischen Universität Darmstadt. Nach seinem Diplomabschluss im Jahre 1997 arbeitete er drei Jahre als Projektleiter in einem Darmstädter Ingenieurbüro. Mit dem Ziel der Promotion kehrte er im Jahre 2000 wieder an seine Alma Mater zurück. Zum Thema "Theoretische und numerische Beiträge zur Beschreibung von Lokalisierungsphänomenen in der Strukturmechanik" promovierte er im Jahre 2005.

In der daran anschließenden Postdoc-Phase forschte er ein Jahr an der renommierten University of California, Berkeley (USA). Während dieser Zeit entstand die nun prämierte Forschungsarbeit. Zurzeit ist Dr. Wackerfuß Habilitand bei Prof. Dr.-Ing. habil. F. Gruttmann am Fachgebiet Festkörpermechanik der TU Darmstadt.

Zum Preis:
Der Preis wird zu Ehren von Prof. Zienkiewicz verliehen, einem britischen Mathematiker und einem der Pioniere der Finite-Element-Methode. Er wurde 1998 vom Verlag John Wiley & Sons Ltd. gestiftet. Seitdem wird diese internationale Auszeichnung (Medaille und £ 1.000) alle zwei Jahre an einen promovierten Wissenschaftler unter 40 Jahren für eine herausragende Forschungsarbeit auf dem Gebiet der Numerischen Verfahren im Ingenieurwesen vergeben.

Die Jury um Prof. Zienkiewicz zeichnete Jens Wackerfuß für seine Veröffentlichung "Molecular mechanics in the context of the finite element method" aus, die im "International Journal for Numerical Methods in Engineering" im Juli 2008 akzeptiert und im Februar 2009 publiziert wurde.

Kontaktadresse:
Dr.-Ing. Jens Wackerfuß
Fachgebiet Festkörpermechanik
Fachbereich Bauingenieurwesen und Geodäsie
Technische Universität Darmstadt
wackerfuss@mechanik.tu-darmstadt.de
Tel. 06151/ 16-2991

Jörg Feuck | idw
Weitere Informationen:
http://www.tu-darmstadt.de

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Förderungen Preise:

nachricht Illegal geschlagenes Holz in Alltagsprodukten aufspüren
21.11.2017 | Deutsche Bundesstiftung Umwelt (DBU)

nachricht DFG-Förderung für weltweit größte Studie zu Einzel-Implantaten im zahnlosen Unterkiefer
21.11.2017 | Deutsche Gesellschaft für Zahn-, Mund- und Kieferheilkunde e.V.

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Förderungen Preise >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Kleine Strukturen – große Wirkung

Innovative Schutzschicht für geringen Verbrauch künftiger Rolls-Royce Flugtriebwerke entwickelt

Gemeinsam mit Rolls-Royce Deutschland hat das Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik IWS im Rahmen von zwei Vorhaben aus dem...

Im Focus: Nanoparticles help with malaria diagnosis – new rapid test in development

The WHO reports an estimated 429,000 malaria deaths each year. The disease mostly affects tropical and subtropical regions and in particular the African continent. The Fraunhofer Institute for Silicate Research ISC teamed up with the Fraunhofer Institute for Molecular Biology and Applied Ecology IME and the Institute of Tropical Medicine at the University of Tübingen for a new test method to detect malaria parasites in blood. The idea of the research project “NanoFRET” is to develop a highly sensitive and reliable rapid diagnostic test so that patient treatment can begin as early as possible.

Malaria is caused by parasites transmitted by mosquito bite. The most dangerous form of malaria is malaria tropica. Left untreated, it is fatal in most cases....

Im Focus: Transparente Beschichtung für Alltagsanwendungen

Sport- und Outdoorbekleidung, die Wasser und Schmutz abweist, oder Windschutzscheiben, an denen kein Wasser kondensiert – viele alltägliche Produkte können von stark wasserabweisenden Beschichtungen profitieren. Am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) haben Forscher um Dr. Bastian E. Rapp einen Werkstoff für solche Beschichtungen entwickelt, der sowohl transparent als auch abriebfest ist: „Fluoropor“, einen fluorierten Polymerschaum mit durchgehender Nano-/Mikrostruktur. Sie stellen ihn in Nature Scientific Reports vor. (DOI: 10.1038/s41598-017-15287-8)

In der Natur ist das Phänomen vor allem bei Lotuspflanzen bekannt: Wassertropfen perlen von der Blattoberfläche einfach ab. Diesen Lotuseffekt ahmen...

Im Focus: Ultrakalte chemische Prozesse: Physikern gelingt beispiellose Vermessung auf Quantenniveau

Wissenschaftler um den Ulmer Physikprofessor Johannes Hecker Denschlag haben chemische Prozesse mit einer beispiellosen Auflösung auf Quantenniveau vermessen. Bei ihrer wissenschaftlichen Arbeit kombinierten die Forscher Theorie und Experiment und können so erstmals die Produktzustandsverteilung über alle Quantenzustände hinweg - unmittelbar nach der Molekülbildung - nachvollziehen. Die Forscher haben ihre Erkenntnisse in der renommierten Fachzeitschrift "Science" publiziert. Durch die Ergebnisse wird ein tieferes Verständnis zunehmend komplexer chemischer Reaktionen möglich, das zukünftig genutzt werden kann, um Reaktionsprozesse auf Quantenniveau zu steuern.

Einer deutsch-amerikanischen Forschergruppe ist es gelungen, chemische Prozesse mit einer nie dagewesenen Auflösung auf Quantenniveau zu vermessen. Dadurch...

Im Focus: Leoniden 2017: Sternschnuppen im Anflug?

Gemeinsame Pressemitteilung der Vereinigung der Sternfreunde und des Hauses der Astronomie in Heidelberg

Die Sternschnuppen der Leoniden sind in diesem Jahr gut zu beobachten, da kein Mondlicht stört. Experten sagen für die Nächte vom 16. auf den 17. und vom 17....

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Tagung widmet sich dem Thema Autonomes Fahren

21.11.2017 | Veranstaltungen

Neues Elektro-Forschungsfahrzeug am Institut für Mikroelektronische Systeme

21.11.2017 | Veranstaltungen

Raumfahrtkolloquium: Technologien für die Raumfahrt von morgen

21.11.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Wasserkühlung für die Erdkruste - Meerwasser dringt deutlich tiefer ein

21.11.2017 | Geowissenschaften

Eine Nano-Uhr mit präzisen Zeigern

21.11.2017 | Physik Astronomie

Zentraler Schalter

21.11.2017 | Biowissenschaften Chemie