Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Polymere werden berechenbar - Neues Simulationsverfahren für Kunststoffe und Biopolymere

03.05.2010
Was hält ein neuer Kunststoff aus, wie halten Biopolymere zusammen? Durch eine Vorausberechnung der Eigenschaften, könnten Materialwissenschaftler massiv Entwicklungskosten sparen und Biophysiker die Eigenschaften von Biopolymeren und menschlichen Zellen untersuchen.

Doch bisherige Berechnungsmethoden stoßen hier an ihre Grenzen. Ingenieure der Technischen Universität München haben nun die im Ingenieurwesen häufig angewandte Finite-Elemente-Methode so erweitert, dass eine derartige Vorausberechnung möglich wird.

Technische Kunststoffe bestehen aus langen, kettenartigen Molekülen. Deren Beweglichkeit hat einen entscheidenden Einfluss auf die Materialeigenschaften. Könnte man sie besser vorausberechnen, so würde dies bei der Entwicklung neuer Kunststoffe sehr viel Zeit und Geld sparen. Auch die Biologie steht vor ähnlichen Problemen: Biopolymere Netzwerke sind von entscheidender Bedeutung für eine Vielzahl biologisch und medizinisch relevanter Prozesse im menschlichen Körper. Insbesondere sind sie wichtig für Teilung, Bewegung und Verformung von Zellen.

Aufgrund der enormen Komplexität dieser Netzwerke ist eine Untersuchung oft nur mit Computersimulationen möglich. Die Größe und die komplexen Eigenschaften der in Materialwissenschaft und Biologie zu simulierenden Systeme setzen einer präzisen Modellierung jedoch bislang enge Grenzen. Bei Verwendung der bisher in diesen Bereichen üblichen Simulationsverfahren sprengt der Rechenaufwand selbst die Möglichkeiten von Supercomputern.

Professor Wolfgang Wall und sein Team am Lehrstuhl für Numerische Mechanik der TU München haben nun die in den Ingenieurwissenschaften als höchst effizientes Verfahren bekannte Finite-Elemente-Methode so erweitert, dass sie auch für die Simulation der Mikromechanik von Kunststoffen und Biopolymeren eingesetzt werden kann. Die Finite-Elemente-Methode erlaubt es, physikalische Effekte in einem bestimmten Gebiet zu simulieren, indem die Vorgänge auf kleinen Teilgebieten, den Finiten Elementen, in ihrer Auswirkung zusammengefasst werden und so genannten Knoten zugeschlagen werden. Während der Simulation genügt es dann, alle Rechenschritte nur noch in Bezug auf diese diskreten Knoten auszuführen.

Bislang war nicht bekannt, wie bei diesem Verfahren die in der Bio- und Polymerphysik essentiellen Effekte der statistischen Mechanik berücksichtigt werden können. Denn die Moleküle werden durch die Umgebungswärme ständig zufällig angeregt und bewegen sich daher ständig ein klein wenig. Die neu entwickelte Simulationsmethode löst dieses Problem und öffnet damit den Weg zu einer höchst effizienten Simulation der statistischen Polymer- und Biophysik. Dies ermöglicht die computergestützte Analyse auch solcher Systeme, die bislang zu groß und komplex waren.

„Die großen Vorteile der neuen Methode sind ihre Vielseitigkeit, ihre Effizienz sowie ihre solide mathematische Basis“, sagt Professor Wall. Die grundlegende Methode wird bereits für viele verschiedene Probleme aus Technik und Naturwissenschaft genutzt – zur Simulation derartiger Fragestellungen wurde sie jedoch bislang noch nicht eingesetzt. Dazu waren theoretisch anspruchsvolle Erweiterungen nötig. Erfreulicher Weise lassen sich diese jedoch in die Vielzahl bestehender, bereits weit entwickelter Softwarepakete leicht einbauen, um die Methode direkt in Simulationen anwenden zu können.

Mit Hilfe des neuen Simulationsverfahrens wollen die Ingenieure zusammen mit Biophysikern im Rahmen eines Projektes der International Graduate School of Science and Engineering (IGSSE) der TUM wesentliche Fortschritte beim Verständnis des Verhaltens biopolymerer Netzwerke erzielen. „Wir wollen verstehen, wie biopolymere Netzwerke dynamisch auf äußere Belastungen reagieren und dabei z.B. ihre Struktur anpassen.“ sagt Christian Cyron, Doktorand am Lehrstuhl für Numerische Mechanik. Daraus können wir dann ein besseres Verständnis für das mechanische Verhalten menschlicher Zellen gewinnen, das ja ebenfalls maßgeblich von einem biopolymeren Netzwerk, dem Zytoskelett, bestimmt wird. Langfristig können diese Erkenntnisse dann zur Entwicklung neuer medizinischer Technologien führen.

Originalpublikation:
Finite-element approach to Brownian dynamics of polymers, Christian J. Cyron and Wolfgang A. Wall, Physical Review E 80, 066704 2009 – DOI: 10.1103/PhysRevE.80.066704
Kontakt:
Prof. Dr. Wolfgang A. Wall
Technische Universität München
Lehrstuhl für Numerische Mechanik
Boltzmannstr. 15, 85748 Garching
Tel.: +49 89 289 15300 – Fax: +49 89 289 15301
E-Mail: wall@lnm.mw.tum.de

Dr. Ulrich Marsch | idw
Weitere Informationen:
http://www.lnm.mw.tum.de

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Materialwissenschaften:

nachricht Realer Versuch statt virtuellem Experiment: Erfolgreiche Prüfung von Nanodrähten
07.12.2017 | Helmholtz-Zentrum Geesthacht - Zentrum für Material- und Küstenforschung

nachricht Aufgewärmt am Start
05.12.2017 | Empa - Eidgenössische Materialprüfungs- und Forschungsanstalt

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Materialwissenschaften >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

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

Im Focus: Neue Einblicke in die Materie: Hochdruckforschung in Kombination mit NMR-Spektroskopie

Forschern der Universität Bayreuth und des Karlsruhe Institute of Technology (KIT) ist es erstmals gelungen, die magnetische Kernresonanzspektroskopie (NMR) in Experimenten anzuwenden, bei denen Materialproben unter sehr hohen Drücken – ähnlich denen im unteren Erdmantel – analysiert werden. Das in der Zeitschrift Science Advances vorgestellte Verfahren verspricht neue Erkenntnisse über Elementarteilchen, die sich unter hohen Drücken oft anders verhalten als unter Normalbedingungen. Es wird voraussichtlich technologische Innovationen fördern, aber auch neue Einblicke in das Erdinnere und die Erdgeschichte, insbesondere die Bedingungen für die Entstehung von Leben, ermöglichen.

Diamanten setzen Materie unter Hochdruck

Im Focus: Scientists channel graphene to understand filtration and ion transport into cells

Tiny pores at a cell's entryway act as miniature bouncers, letting in some electrically charged atoms--ions--but blocking others. Operating as exquisitely sensitive filters, these "ion channels" play a critical role in biological functions such as muscle contraction and the firing of brain cells.

To rapidly transport the right ions through the cell membrane, the tiny channels rely on a complex interplay between the ions and surrounding molecules,...

Im Focus: Stabile Quantenbits

Physiker aus Konstanz, Princeton und Maryland schaffen ein stabiles Quantengatter als Grundelement für den Quantencomputer

Meilenstein auf dem Weg zum Quantencomputer: Wissenschaftler der Universität Konstanz, der Princeton University sowie der University of Maryland entwickeln ein...

Im Focus: Realer Versuch statt virtuellem Experiment: Erfolgreiche Prüfung von Nanodrähten

Mit neuartigen Experimenten enträtseln Forscher des Helmholtz-Zentrums Geesthacht und der Technischen Universität Hamburg, warum winzige Metallstrukturen extrem fest sind

Ultraleichte und zugleich extrem feste Werkstoffe – poröse Nanomaterialien aus Metall versprechen hochinteressante Anwendungen unter anderem für künftige...

Im Focus: Geburtshelfer und Wegweiser für Photonen

Gezielt Photonen erzeugen und ihren Weg kontrollieren: Das sollte mit einem neuen Design gelingen, das Würzburger Physiker für optische Antennen erarbeitet haben.

Atome und Moleküle können dazu gebracht werden, Lichtteilchen (Photonen) auszusenden. Dieser Vorgang verläuft aber ohne äußeren Eingriff ineffizient und...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Innovative Strategien zur Bekämpfung von parasitären Würmern

08.12.2017 | Veranstaltungen

Hohe Heilungschancen bei Lymphomen im Kindesalter

07.12.2017 | Veranstaltungen

Der Roboter im Pflegeheim – bald Wirklichkeit?

05.12.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Goldmedaille für die praktischen Ergebnisse der Forschungsarbeit bei Nutricard

11.12.2017 | Unternehmensmeldung

Nachwuchs knackt Nüsse - Azubis der Friedhelm Loh Group für Projekte prämiert

11.12.2017 | Unternehmensmeldung

Mit 3D-Zellkulturen gegen Krebsresistenzen

11.12.2017 | Medizin Gesundheit