Entwicklung von Multiskalenmethoden für die Simulation von Polymer/Flüssig-Feststoff-Hybridgrenzflächen

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Es ist Ziel des Projektes, ein Methodenspektrum zu entwickeln, welches unter Verwendung von Multiskalenansätzen quantitativ genaue Simulationen von Systemen in ingenieurwissenschaftlich relevanten Dimensionen erlaubt. Auf der Grundlage von sogenannten Einbettungsverfahren werden Schnittstellen zwischen ab initio Techniken der Quantenchemie (QC) und Dichtefunktionaltheroie (DFT) für die Behandlung besonders reaktiver Zentren (50-200 Atome) mit approximativen Dichtefunktionalrechnungen (DFTB) (wenige 1000 Atome) entwickelt. Letztere quantenmechanisch (QM) behandelten Bereiche werden wiederum in viel ausgedehntere Umgebungen von ca. 100.000 Atomen eingelagert, deren Relaxionsverhalten und Dynamik unter Verwendung empirischer Kraftfelder beschrieben wird. Die Implementierung erfolgt sowohl für die Simulation von endlich ausgedehnten Nanostrukturen als auch für quasiperiodische Schichtstrukturen. Mit den quasiperiodischen Modellen können insbesondere von Grenzflächen dominierte Problemstellungen untersucht werden. Die zu entwickelnden Methoden werden eingesetzt um Stoffdatenmodelle komplexer Materialsysteme quantenmechanisch auf molekularer Ebene zu validieren und Grenzflächenstrukturen zwischen unerschiedlichen Materialsystemen und deren Eigenschaften zu verstehen. Hierunter fallen als Anwendungsbeispile die Haftfestigkeit von Polymeren auf verschiedenen Substraten oder ganz allgemein das Verhalten in Flüssig-Feststoff-Grenzbereichen. Neben dem atomar detaillierten Verständnis über die Strukturen und chemischen Bindungseigenschaften dieser komplexen Materialkombinationen werden berechnete Daten für Vergleiche mit experimentellen Messergebnissen bereitgestellt. Besonders geeignet für eine Charakterisierung von chemischen Bindungsverhältnissen sind hierbei elektronen- und schwingungsspektroskopische Daten, wie beispielsweise Photoelektronenspektren und ESR-Spinresonanzdaten sowie Infrarot- und Ramansignale.