Konvektionsinduzierte Morphologieübergänge (in Forschergruppe: Grenzflächendynamik bei Strukturbildungsprozessen)

Das Vorhaben ist Erweiterung und Fortführung des Vorgängerprojekts Morphologische Instabilität beim Kristallwachstum: Einfluß der Konvektion. Ziel des Projekts dieser Antragsperiode ist es, die Untersuchungen von zweidimensionalen Einzelstrukturen unter Konvektion auf ausgedehnte Morphologien (in zwei Dimensionen) und Einzelstrukturen in drei Dimensionen auszudehnen. Bei rein diffusionsbegrenztem Wachstum hängt der Übergangspunkt zwischen der dendritischen und dublonischen Morphologie für eine periodische Anordnung "fingerförmiger" Kristalle von der Wellenlänge und damit der relativen Orientierung von Kristallanisotropie und globaler Wachstumsrichtung ab. Wie sich ein solches System unter der Einwirkung von Konvektionsströmungen verhält, soll untersucht werden. Dabei sind sowohl eingeprägte Strömungen mit gegebener Vorzugsrichtung zu betrachten, was zur Ausbildung zweier konkurrierender Wachstumsrichtungen mit entsprechend interessanter Dynamik führen kann, als auch natürliche Konvektion und deren stabilisierender bzw. destabilisierender Einfluss auf das gesamte dendritische array. Neben freiem Wachstum soll auch gerichtete Erstarrung untersucht werden, die mit dem extern einstellbaren Temperaturgradienten eine weitere gerichtete Größe ins Spiel bringt. Hier ist bekannt, dass der Zell-Dendriten-Übergang von Konvektion beeinflusst wird, es fehlt aber an detaillierten experimentellen Daten. Simulationen können hier genaue Aussagen liefern, die die Voraussetzung für eine analytische Modellierung bilden. Eine besonders interessante Frage ist durch Elektrodepositionsexperimente im Projekt V der letzten Antragsperiode nahegelegt worden: Ist es möglich, durch das Einschalten von Konvektion den Übergang von einer kompakten zu einer fraktalen Struktur zu induzieren? Im Falle des dreidimensionalen Wachstums einzelner Dendriten soll besonders die Frage von Oszillationen der Dendritenspitze untersucht werden. Solche Oszillationen werden in der interfacial wave theory von Xu für kleine Kristallanisotropien vorhergesagt, sind kontrovers und tauchen im Experiment immer wieder als Randnotiz auf. Falls sie existieren, sollten sie mit einem Strömungsfeld rückkoppeln, was ihre Detektion möglicherweise vereinfacht.Gegenstand ist die numerische Untersuchung von Strukturbildungsphänomenen an der Fest-flüssig-Phasengrenze einer erstarrenden Schmelze. Dabei wird von der üblichen Annahme eines rein diffusiven Transports in der flüssigen Phase abgewichen. Es sind numerische Algorithmen für die einzelnen Teilprozesse Wärmeleitung, Grenzflächenbewegung und Strömung zu entwickeln und zu verbinden. Diese sind dann auf Konvergenz und Stabilität zu analysieren. Das Projekt wird gefördert von der DFG und in Kooperation mit K. Kassner, Institut für Theoretische Physik, durchgeführt.Anmerkung: Das Projekt lief bis zum 31.10.2003.