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 Die steifsten Leichtbaumaterialien überhaupt
12.12.2018 | Eidgenössische Technische Hochschule Zürich (ETH Zürich)

nachricht Künstliches Perlmutt nach Mass
12.12.2018 | Eidgenössische Technische Hochschule Zürich (ETH Zürich)

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Materialwissenschaften >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

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

Im Focus: Quantenkryptographie ist bereit für das Netz

Wiener Quantenforscher der ÖAW realisierten in Zusammenarbeit mit dem AIT erstmals ein quantenphysikalisch verschlüsseltes Netzwerk zwischen vier aktiven Teilnehmern. Diesen wissenschaftlichen Durchbruch würdigt das Fachjournal „Nature“ nun mit einer Cover-Story.

Alice und Bob bekommen Gesellschaft: Bisher fand quantenkryptographisch verschlüsselte Kommunikation primär zwischen zwei aktiven Teilnehmern, zumeist Alice...

Im Focus: An energy-efficient way to stay warm: Sew high-tech heating patches to your clothes

Personal patches could reduce energy waste in buildings, Rutgers-led study says

What if, instead of turning up the thermostat, you could warm up with high-tech, flexible patches sewn into your clothes - while significantly reducing your...

Im Focus: Tödliche Kombination: Medikamenten-Cocktail dreht Krebszellen den Saft ab

Zusammen mit einem Blutdrucksenker hemmt ein häufig verwendetes Diabetes-Medikament gezielt das Krebswachstum – dies haben Forschende am Biozentrum der Universität Basel vor zwei Jahren entdeckt. In einer Folgestudie, die kürzlich in «Cell Reports» veröffentlicht wurde, berichten die Wissenschaftler nun, dass dieser Medikamenten-Cocktail die Energieversorgung von Krebszellen kappt und sie dadurch abtötet.

Das oft verschriebene Diabetes-Medikament Metformin senkt nicht nur den Blutzuckerspiegel, sondern hat auch eine krebshemmende Wirkung. Jedoch ist die gängige...

Im Focus: Lethal combination: Drug cocktail turns off the juice to cancer cells

A widely used diabetes medication combined with an antihypertensive drug specifically inhibits tumor growth – this was discovered by researchers from the University of Basel’s Biozentrum two years ago. In a follow-up study, recently published in “Cell Reports”, the scientists report that this drug cocktail induces cancer cell death by switching off their energy supply.

The widely used anti-diabetes drug metformin not only reduces blood sugar but also has an anti-cancer effect. However, the metformin dose commonly used in the...

Im Focus: New Foldable Drone Flies through Narrow Holes in Rescue Missions

A research team from the University of Zurich has developed a new drone that can retract its propeller arms in flight and make itself small to fit through narrow gaps and holes. This is particularly useful when searching for victims of natural disasters.

Inspecting a damaged building after an earthquake or during a fire is exactly the kind of job that human rescuers would like drones to do for them. A flying...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Konferenz zu Usability und künstlicher Intelligenz an der Universität Mannheim

13.12.2018 | Veranstaltungen

Show Time für digitale Medizin-Innovationen

13.12.2018 | Veranstaltungen

ICTM Conference 2019 in Aachen: Digitalisierung als Zukunftstrend für den Turbomaschinenbau

12.12.2018 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Forschungsprojekt FastCharge: Ultra-Schnellladetechnologie bereit für die Elektrofahrzeuge der Zukunft

13.12.2018 | Energie und Elektrotechnik

GFOS-Innovationsaward 2019: Anmeldung ab sofort möglich

13.12.2018 | Förderungen Preise

Quantenkryptographie ist bereit für das Netz

13.12.2018 | Informationstechnologie

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics