Theses

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Diplom- und Masterarbeiten

Diplom- und Masterarbeiten können bei uns in den Bereichen Statistische Physik, Theorie und Simulation poröser Medien, Fraktionale Infinitesimalrechnung Simulation und Theorie weicher Materie durchgeführt werden.

Dies umfasst insbesondere Nukleation, Ferrofluide, Hydrogele sowie Polymere und Biomoleküle. Desweiteren kann sich eine Arbeit aber auch stärker an der Entwicklung von Methoden, Algorithmen und der Simulationssoftware ESPResSo orientieren.

Wer Interesse daran hat, eine Master- oder Diplomarbeit am ICP zu schreiben, der kann Rudolf Hilfer,Olaf Lenz, Christian Holm, Axel Arnold, Maria Fyta, oder Jens Smiatek kontaktieren, um einen Überblick über die möglichen Themen zu bekommen. Bei Interesse an einem bestimmten der im folgenden genannten Themen kann er direkt einen der unten genannten Ansprechpartner kontaktieren.

Interessierte Studierende sollten über Grundlagen der statistischen Physik/Thermodynamik, des Umgangs mit UNIX-Systemen und der Programmierung in einer Skript- oder Programmiersprache verfügen. Grundlegende Kenntnisse von Simulationstechniken oder Numerik sind von Vorteil.

Simulationen zur Leitfähigkeit von Polymerelektrolyten

Ansprechpartner: Christian Holm

Simulationen zur Meerwasserentsalzung mittels Hydrogelen

Ansprechpartner: Christian Holm

Theorien und numerische Methoden für poröse Medien

Ansprechpartner: Rudolf Hilfer

Portierung von langreichweitigen Elektrostatik-Lösern auf Grakfikprozessoren

Ansprechpartner: Axel Arnold

Fraktionale Ableitungen und dielektrische Relaxation

Ansprechpartner: Rudolf Hilfer

Systemgrößenskalierung und Simulation von Phasenübergängen

Ansprechpartner: Rudolf Hilfer

Phasendiagramm von nicht zentrierten Dipolen

Ansprechpartner: Rudolf Weeber

Lösung der Poisson-Boltzmann-Gleichung in beschränkten Geometrien

Ansprechpartner: Stefan Kesselheim

Ionenkanäle

Ansprechpartner: Stefan Kesselheim

Magnetische Gele

Ansprechpartner: Rudolf Weeber

Gitteralgorithmen für Probleme der Elektrohydrodynamik (GPU und CPU)

Ansprechpartner: Axel Arnold

Ionische Flüssigkeiten

• Dielektrisches Spektrum von Modellfluiden, Ansprechpartner: Florian Dommert
• Coarse-grained Modelle für ionische Flüssigkeiten, Ansprechpartner: Peter Košovan

Mikrostrukturbildung und Phasenverhalten von kolloidalen Janus-Teilchen

Ansprechpartner: Christian Holm

Implementierung, Verbesserung und Anwendung moderner Simulationsalgorithmen in der Software ESPResSo

Ansprechpartner: Olaf Lenz

Investigation of Turbulent Flow Influence on Nanoparticle Agglomeration

The aim of the project "Agglomeration of Nanosized Particles in Turbulent Flows" is to investigate the nanoparticle agglomeration over a wide range of scales due to Brownian motion and turbulent transport. Random movement of particles in a quiescent fluid is simulated by solving Langevin Equation using the Molecular Dynamics Simulation software ESPResSo. A solution procedure for Langevin Equation is implemented in ESPResSo and involves a random force field representing the effect of the collisions of the nanopar- ticles with the molecules of the fluid and a viscous force proportional to the particle’s velocity. To account for the effects of turbulent flow on particle transport and characteristics of particle agglomeration, the fluid flow profile is required to be coupled with the classical particle motion equation. The aim of the M.Sc. thesis would be to focus on the dynamics of Brownian particles exposed to shear flows and therefore to define new equations of motion for particles combining the characteristics of deterministic, large scale fluid flow and random motion. To this end, students should first familiarize themselves with Langevin Equation and shear flow by means of parameter studies for different flow fields, then develop algorithms for the simulation software Espresso and perform 2D and 3D particle simulations to understand the relative importance of turbulent and molecular transport and their influence on particle structure.

Contact: Axel Arnold or
Ms Gizem Inci (gizem.inci@itv.uni-stuttgart.de)
Institute for Combustion Technology

Mehrphasenströmungen in porösen Medien

Ansprechpartner: Rudolf Hilfer

Dreidimensionale Bildverarbeitung

Ansprechpartner: Rudolf Hilfer

Computerbasierte statistische Untersuchung der Ausscheidungsbildung in Fe/Cu-Systemen

Ausschreibung (848 KB)

Ansprechpartner: Kai Kratzer, David Molnar

Development/Benchmarking of a coarse-grained potential for DNA

A new quantum-mechanically derived DNA potential can be used for the modeling of DNA-related processes. As a first step, the potential needs to be further benchmarked and tested with respect to its stretching behavior, thermal denaturation, etc.

Ansprechpartner: Maria Fyta

DNA interaction with electrodes

The project is relevant to DNA translocation through nanopores and how the nanopore can be used to electrically read-out the DNA nucleotides. Two different pores will be investigated:

• Graphene electrodes
• Functionalized nanopores

Ansprechpartner: Maria Fyta

DNA mechanics in a salt solution

The stiffness of DNA will be investigated at different scales with respect to ionic concentration and temperature. The simulations will involve a new quantum-mechanically derived potential for DNA as well as electrokinetic effects for the ions and the charges on DNA.

Ansprechpartner: Maria Fyta

Defect centers in diamond

Molecular Dynamics and density-functional-theory based calculations will be used to examine the thermal stability and electronic properties of defect centers in diamond. A very well studied defect is the nitrogen-vacancy center in diamond, which has enormous potential to be used as a qubit. Along these lines, a search for similar defect centers will be made.

Mechanismen der Wechselwirkung zwischen kompatiblen Soluten und Proteinen / Lipid-Membranen

Ansprechpartner: Jens Smiatek

Freie Energie Landschaften und Entfaltungspfade von speziellen DNA-Strukturen

Ansprechpartner: Jens Smiatek

Untersuchung der Auswirkungen der Beschränkung des Phasenraums auf die Faltung von Proteinen

Ansprechpartner: Jens Smiatek

Simulationen zur Auswirkung von hydrodynamischen und elektrostatischen Wechselwirkungen auf die Protein-Entfaltung

Ansprechpartner: Jens Smiatek

Bachelorarbeiten

Die folgenden Themen von Bachelorarbeiten sind momentan am ICP zu vergeben. Wer gerne in unserem Bereich eine Bachelorarbeit schreiben möchte aber bei den folgenden Themen kein geeignetes Thema finden kann, der kann Kontakt mit Christian Holm, Rudolf Hilfer, Axel Arnold, Olaf Lenz, Maria Fyta, oder Jens Smiatek aufnehmen und nach weiteren Themen fragen.

Interessierte Studierende sollten über Grundlagen der statistischen Physik/Thermodynamik, des Umgangs mit UNIX-Systemen und der Programmierung in einer Skript- oder Programmiersprache verfügen. Grundlegende Kenntnisse von Simulationstechniken oder Numerik sind von Vorteil.

Poisson-Boltzmann-Löser in beschränkten Geometrien

Die Poisson-Boltzmann-Gleichung beschreibt die Ionenverteilung um geladene Objekte. Sie wird standardmäßig in biomolekularen Simulationen, z.B. zur Berechnung von freien Energien benutzt, sowie in der Simulation von geladener weicher Materie verwendet, wie beispielsweise von DNS-Strängen oder ladungsstabilisierten Kolloiden. In dieser Arbeit soll die PB-Gleichung mit Hilfe des PDE-Lösers des Softwarepaketes Dune mittels der Finite-Elemente-Methode gelöst werden. Die Ionenverteilungen verschiedener Modellgeometrien sollen untersucht und mit Hilfe expliziter Molekulardynamik-Simulationen im Softwarepaket ESPResSo überprüft werden.

Ansprechpartner: Stefan Kesselheim

Parameterstudien zur Translokation von Biomolekülen durch Nanoporen

In den letzten Jahren ist es möglich geworden, künstliche Nanoporen als Sonden in der Welt einzelner Makromoleküle zu benutzen. Bei dem Transport dieser Moleküle durch die Pore spielen elektrostatische Wechselwirkungen eine große Rolle, weil fast alle Biomoleküle (z.B. DNS stark geladen sind. In diesem Projekt soll die Rolle der elektrostatischen Wechselwirkung für diesen Prozess mit molekulardynamischen Simulationen untersucht werden, um so die wissenschaftliche Grundlage für ein genaues Verständnis dieses Prozesses zu legen. Nur wenn das System gut verstanden ist, kann es letztlich - wie man sich erhofft - zur schnellen Sequenzierung von DNS genutzt werden. Das zugrundeliegende Softwarepaket wird ESPResSo sein.

Ansprechpartner: Stefan Kesselheim

Messung der dielektrischen Konstante in einer ionischen Flüssigkeit

Mit einem vereinfachten Modell von harten geladenen Kugeln soll im Rahmen einer Molekulardynamischen Simulation die statische dielektrische Konstante bestimmt werden, wie sie aus Messungen mittels dielektrischer Spektroskopie bestimmt wird.

Ansprechpartner: Florian Dommert oder Axel Arnold

Phasenverhalten von dipolaren Flüssigkeiten

Dipolare Flüssigkeiten können sowohl aus magnetischen Dipolen wie auch aus elektrischen Dipolen bestehen. Im ersten Fall spricht man von magnetischen Flüssigkeiten (Ferrofluide), im letzteren kann es sich auch um einfaches Wasser handeln. Dipolare Systeme haben eine anisotrope Wechselwirkung und ein komplizierteres Phasenverhalten als zum Beispiel ein System aus harten Kugeln. Ziel des Projektes ist es, das Phasendiagramm eines solchen Systems zu reproduzieren, und die sogenannte Ferroelektrische Phase zu quantifizieren. Die benötigten Algorithmen sind im Programmpaket ESPResSo implementiert, was auch benutzt werden soll.

Ansprechpartner: Rudolf Weeber oder Christian Holm

Vergröberte Modelle von ionischen Flüssigkeiten

Es existiert eine Klasse von ionische Flüssigkeiten mit Schmelzpunkten unterhalb 100°, deren Eigenschaften als Lösungsmittel großes Interesse weckt. Da viele der Mechanismen, die den Charakter der ionischen Flüssigkeiten ausmachen, noch nicht vollständig erklärt sind, können vergröberte Modelle diese Moleküle helfen, entscheidende Faktoren zu identifizieren, um ein besseres Verständnis dieser Lösungsmittel zu ermöglichen. Eine klassische Molekulardynamikstudie entsprechender Kugelmodelle von Kationen und Anionen soll dazu dienen existierende Modelle zu validieren und gegebenenfalls diese zu erweitern, um einen ersten Einblick in das Prinzip der Molekulardynamik-Simulation, des Coarse-grainings und dem weiten Feld der ionischen Flüssigkeiten zu erhalten.

Ansprechpartner: Florian Dommert oder Peter Košovan

Gitter-Boltzmann-Simulationen auf Grafikprozessoren

Grafikprozessoren (GPUs) sind bei geeigneten Algorithmen mehr als 10 mal so schnell wie ein vergleichbarer konventioneller Prozessor. Zu diesen Algorithmen zählt z.B. die Gitter-Boltzmann-Methode für Strömungsdynamik. Diese Methode wird in unserer Arbeitsgruppe eingesetzt, um klassische Teilchen mit hydrodynamischen Wechselwirkungen zu simulieren. Dabei läuft eine Molekulardynamik-Simulation in der Software ESPResSo, während die Strömungsdynamik auf einer GPU gerechnet wird. Im Rahmen einer Bachelorarbeit sollen Performancemessungen an unserem Code vorgenommen werden, sowie dieser für den Einsatz in Multi-GPU-Umgebungen fit gemacht werden. Ein anderes Thema in diesem Bereich ist die Implementation neuer Randbedingungen, um etwa Mikrokanäle zu simulieren.

Ansprechpartner: Axel Arnold

Leistungsvergleich verschiedener Simulationssoftware

Am ICP wird die Simulationssoftware ESPResSo entwickelt, mit derene Hilfe Molekulardynamik-Simulationen durchgeführt werden können. Es existieren verschiedene andere Simulationssoftwarepakte (z.B. GROMACS oder Lammps]). Im Rahmen der Bachelorarbeit sollen verschiedene Modellsysteme in den verschiedenen Simulationspaketen simuliert werden und Performancevergleiche zwischen den Paketen angestellt werden. Die Arbeit soll dabei helfen, Schwächen und Stärken der verschiedenen Pakete aufzudecken.

Ansprechpartner: Olaf Lenz

Leistungsvergleich verschiedener Algorithmen zur Coulomb-Wechselwirkung

Die Berechnung der Coulomb-Wechselwirkung nimmt bei Molekulardynamik-Simulationen von geladenen Systemen einen beachtlichen Teil der Rechenzeit in Anspruch. Über viele Jahrzehnte wurden und werden neue Algorithmen zur Lösung dieses Problems entwickelt. Einige dieser Algorithmen sind im Programmpaket ESPResSo implementiert. Neben kurzem Einlesen in diese Methoden sollen vor allem Simulationen verschiedener Modellsysteme zum direkten Vergleich von Genauigkeit und Performance der Methoden durchgeführt werden. Die Ergebnisse sollen geeignet interpretiert und präsentiert werden.

Ansprechpartner: Florian Fahrenberger

Doping of diamondoids

Diamondoids are a family of tiny hydrogen-terminated diamond clusters, which were discovered recently. The aim of this project is to examine how the electronic properties of the diamondoids will be changed, when these are doped. The simulations will be carried out with a density-functional-theory based methodology. Molecular Dynamics will be used to address the thermal stability of the doped diamondoids.

Ansprechpartner: Maria Fyta

Transferability of classical ionic force fields

Well optimized classical ionic force fields are essential for Molecular Dynamics simulations and are relevant to the modeling of biophysical processes involving biomolecules in a salt solution. In this respect, testing the transferability of existing ionic force fields for a wide range of concentrations and various salts is important, and will be the aim of this project.

Ansprechpartner: Maria Fyta

Helix-Struktur-Entstehung bei einem vergröberten Polymer unter Nicht-Gleichgewichtsbedingungen

Ansprechpartner: Jens Smiatek

Wechselwirkungen zwischen kosmotropen / chaotropen Soluten und Proteinen

Ansprechpartner: Jens Smiatek

Untersuchung von Wassereigenschaften in Anwesenheit von Hitze/Kälte-Schock-Proteinen

Ansprechpartner: Jens Smiatek