Theses

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Diplom- und Masterarbeiten

Diplom- und Masterarbeiten können bei uns im Bereich 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.

Aktuelle Themen sind beispielsweise

• Phasendiagramm von nicht zentrierten Dipolen (Rudolf Weeber)
• Lösung der Poisson-Boltzmann-Gleichung in beschränkten Geometrien (Alexander Schlaich)
• Ionenkanäle (Stefan Kesselheim)
• Magnetische Gele (Rudolf Weeber)
• Portierung von langreichweitigen Lösern für Hydrodynamik und Elektrostatik auf Grakfikprozessoren (Axel Arnold)
• Ionische Flüssigkeiten:
  • Dielektrisches Spektrum von Modellfluiden (Marcello Sega)
  • Coarse-grained Modelle für ionische Flüssigkeiten (Florian Dommert)
• Gitteralgorithmen für Probleme der Elektrohydrodynamik (GPU und CPU)
• Janus-Teilchen
• Implementierung, Verbesserung und Anwendung moderner Simulationsalgorithmen in der Software ESPResSo (Olaf Lenz)

Wer Interesse daran hat, eine Master- oder Diplomarbeit in einem dieser Bereiche zu schreiben, der kann Olaf Lenz, Christian Holm oder Axel Arnold kontaktieren, um einen Überblick über die möglichen Themen zu bekommen. Bei Interesse an einem bestimmten der oben 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.

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, Axel Arnold oder Olaf Lenz 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: Alexander Schlaich

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: Marcello Sega oder Axel Arnold

Coarse-grained Modelle von ionischen Flüssigkeiten

Es existiert eine Klasse von ionische Flüssigkeiten mit Schmelzpunkten unterhalb 100&deg

Ansprechpartner: Florian Dommert

Simulation ultrakalte Moleküle mit einem elektrischen Dipolmoment

Ultrakalte Moleküle mit einem elektrischen Dipolmoment lassen sich in einem optischen Gitter einfangen und durch ein elektrisches Feld ausrichten. Durch Manipulation des Gitters und des elektrischen Feldes lassen sich die Wechselwirkungen zwischen den Molekülen beeinflussen. In dieser Arbeit soll mit Hilfe von Molekulardynamik-Simulationen ein System untersucht werden, in dem mehrere Lagen stark dipolar wechselwirkender Moleküle übereinander angeordnet sind. Ziel der Arbeit ist es, Grundzustandsstrukturen zu berechnen, sowie den Einfluß der thermischen Bewegung auf die Grundzustandsstrukturen zu berechnen. Das System ist hierbei gerade noch im Bereich der klassischen Physik. Als Simulationssoftware wird ESPResSo zum Einsatz kommen.

Ansprechpartner: Rudolf Weeber

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 Molekularsynamik-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 Rühle

Verbesserung des Ewald-Algorithmus für Elektrostatische Wechselwirkungen in ESPResSo

Eine Möglichkeit zur Berechnung der Coulomb-Wechselwirkung in Molekularsynamik-Simulationen von geladenen Systemen ist die Ewald-Summe. Obwohl der Algorithmus nicht die schnellste Möglichkeit dafür ist, so eignet sich der Algorithmus wegen seiner hohen Genauigkeit sehr gut zum Vergleich mit anderen, schnellerean aber ungenaueren Methoden. Die Simulationssoftware ESPResSo enthält eine Implementation der Ewald-Summe, die bislang allerdings fehlerhaft ist und nur auf einem Prozessor lauffähig ist. Ziel der Bachelorarbeit wäre es, die Implementation der Ewald-Summe in ESPResSo zu korrigieren und zu parallelisieren, damit effektive Vergleiche der Methode mit anderen Verfahren angestellt werden können.

Ansprechpartner: Olaf Lenz

Verbesserung des Tuning-Algorithmus für P3M

Ein schneller Algorithmus zur Berechnung der Coulomb-Wechselwirkung in Molekularsynamik-Simulationen von geladenen Systemen ist der P3M-Algorithmus, der in der Simulationssoftware ESPResSo implementiert ist. Der Algorithmus hat zahlreiche Parameter, die seine Genauigkeit und Geschwindigkeit in unterschiedlichem Maße beeinflussen. Zur Wahl des besten Parametersatzes ("Tuning") für ein gegebenes System existiert ein einfacher heuristischer Algorithmus in ESPResSo. Ziel der Bachelorarbeit wäre es, das Tuningverfahren zu verbessern. Dazu sollte sich der Studierende zunächst in den P3M-Algorithmus einarbeiten und anhand von Parameterstudien an einfachen Modellsystemen den Effekt der verschiedenen Parameter studieren, um dann den Tuning-Algorithmus gezielt zu verbessern.

Ansprechpartner: Olaf Lenz