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Simulation von spontaner Musterbildung und Dynamik metallischer Nanopartikel in Gläsern und Polymeren
Projektbearbeiter:
Lukas Jahnke, Jan Kantelhardt
Finanzierung:
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) ;
Simulation von spontaner Musterbildung und Dynamik metallischer Nanopartikel in Gläsern und Polymeren
Simulation von Liesegang-Mustern
Die Selbstorganisation bei der Bildung und Dynamik metallischer Partikel ist ein Ansatzpunkt für die Strukturierung von Glas- und Polymermaterialien auf nanoskopischen Längenskalen, die für optische Anwendungen relevant ist. Ein Beispiel dafür stellt die Anordnung von Partikelclustern in Liesegang-Streifen dar, einer quasiperiodischen Strukturierung bei diffusionsbestimmten Zwei-Komponenten Reaktionen. Im ersten Teil des Projekts soll mit Hilfe numerischer Simulationen die Selbstorganisation der Liesegang-Streifen einschließlich der auftretenden Fluktuationen bei verschiedenen Prozessbedingungen und Systemgeometrien studiert werden, wobei ein Schwerpunkt auf der Frage nach der Stabilität der Streifenbildung bei lokalen Konzentrationsschwankungen und Schwankungen im Reaktionsfrontverlauf liegt. Ziele sind neben einem besseren Verständnis der Voraussetzungen für die Musterbildung auch Untersuchungen der Möglichkeiten zu ihrer Beeinflussung im Hinblick auf gewünschte Strukturen, beispielsweise eine Prozessführung (Temperatur, Konzentrationen, usw.) für periodische Liesegang-Streifen anstelle eines mit der Tiefe zunehmenden Abstands. Ein weiteres Ziel stellt die Untersuchung der spontanen Musterbildung bei chemischen Reaktionen in Materialien mit skalenfreier Unordnung und subdiffusiver Ausbreitung der Reaktionsfront dar. Neben der Anordnung sind die Größenverteilung und die Form der nanoskopischen Metallpartikel für die optischen Eigenschaften wesentlich. Beides lässt sich durch Temperung oder durch eine lokale Aufheizung der Partikel mit kurzen polarisierten Laserblitzen verändern. Zum Verständnis der dabei beobachteten Phänomene soll die Metallatom- und Ionen-Dynamik bei verschiedenen Temperaturen sowie nach einer lokalen starken Aufheizung von Nanopartikeln in einer Glas- oder Polymer-Matrix mit zellulären Automaten und mit der kinetischen Monte-Carlo-Methode simuliert werden. Je nach Dichte sollen auch mehrere Nanopartikel gleichzeitig simuliert werden, um Wechselwirkungseffekte zu berücksichtigen. Besondere Schwerpunkte werden auf der Unterscheidung verschiedener Partikel-Wachstums- und -Vergröberungsmechanismen (diffusionsbestimmte Formveränderung, Ostwald-Reifung und möglicherweise Koagulations-Wachstum) sowie Deformationsmechanismen bei Laserbestrahlung mit unterschiedlicher Intensität liegen. Schließlich soll die Simulation einer periodischen Strukturierung von Metallpartikeln hoher Dichte in dünnen Polymerschichten durch polarisierte Laserbestrahlung betrachtet werden. Dabei geht es um die Frage, wann die Teilchen in Richtung der sich ausbildenden Streifen bzw. senkrecht dazu perkolieren in Abhängigkeit von der Stärke der Strahlungsintensität, der Wellenlänge, der Teilchen-Flächendichte und der Teilchen-Größenverteilung.

Anmerkungen

Projektnummer B16 im SFB 418.

Schlagworte

Glas- und Polymermatrix, Liesegang-Streifen, Monte-Carlo-Simulation, Musterbildung in chemischen Reaktionen, nanospokische Metallpartikel
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