HPC simulation af polymer materialer

 Vejleder: Carsten Svaneborg

Projektbeskrivelse:

Plastik, gummi, og geler er eksempler på polymermaterialer. Disse materialer har komplekse egenskaber såsom viskoelastisk respons når de deformeres, dvs. de er et sted mellem flydende væsker og elastiske faste stoffer. Polymere er lange tråd formede fleksible molekyler, og de kan være i et utal af konformationer, som typisk ligner random walks fordi de har højest entropi. I materialerne er polymerene er filtret sammen som vist på visualiseringen.

Det centrale fysiske spørgsmål er hvordan materialeegenskaber opstår ud af molekylernes konformationer, deres dynamik, og deres respons til deformation. Materialeegenskaber kan let måles f.eks. ved at vi hiver i en elastik og måler den kraft den reagerer med. Problemet er blot at vi ikke ved hvad der sker med molekylerne inde i elastikken, eller hvad for en 3D netværksstruktur disse molekyler indgår i. Det er derfor eksperimentelt ret svært at studere dette spørgsmål.

Løsningen er at bruge HPC – high performance computer simulationer. Vi bygger computer modeller af polymermaterialer på det molekylære niveau. En typisk model består af 500 molekyler med 2000 monomere hver, dvs. 1.000.000 partikler. Det kræver supercomputere at simulere sådanne modeller. På Abacus udfører vi Molecular Dynamics simulationer, hvor vi hiver i model materialerne, og kan samtidigt måle modellens makroskopiske elastiske materialeegenskaber, såvel som hvordan hvert enkelt molekyle konformationer påvirkes af deformationen. Det giver os data, som vi kan undersøge og bruge til at forstå spørgsmålet bedre samt forbedre teorier og analyse af eksperimenter.

Inden for disse rammer er der mulighed for en masse forskellige projekter. Nogle eksempler kunne være:

  • Udvikle nye effektive simulationsmodeller til polymere
  • Undersøge effekten af nano-partikler på materialeegenskaber. Alle person bil dæk
    indeholder f.eks. op til 20% volumen procent af silica nano-partikler.
  • Undersøge materiale modeller bestående af polymer blandinger eller forskellige molekylære
    strukturer. LEGO klodser består f.eks. af ABS polymerer, som er 3 kemisk forskellige
    polymere, der er kemisk bundet sammen i et lineært molekyle.
  • Undersøge effekten af hvordan polymer konformationer før krydslænkning. Edderkoppesilke består af polymer lignende proteiner, disse danner krystallinske domæner, som
    reversibelt smelter når silketråden deformeres. Kan vi lave syntetiske polymermaterialer
    med lignende egenskaber?
  • Undersøge hvordan materialer går i revner når krydslænker brydes under gentagen
    deformation. Når vi kører ude på motorvejen ser vi ofte slidbaner fra lastbil dæk, dette
    skyldes at revner mellem slidbanen og resten af dækket.
  • Udvikle ny kode og funktioner i LAMMPS Molecular Dynamics koden.

Fælles for disse projekter er at der er aspekter af materialefysik, statistisk mekanik, computer fysik, og datalogi/data analyse. Alt efter interesse kan projektet skræddersyes til dine interesser i disse forskellige aspekter. Du får også mulighed for at køre simulationer direkte på Abacus supercomputeren.

Se http://www.zqex.dk for information om min gruppe.