Difference between revisions of "Theses"

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=== Systemgrößenskalierung und Simulation von Phasenübergängen ===
 
=== Systemgrößenskalierung und Simulation von Phasenübergängen ===
 
Ansprechpartner: [[Rudolf Hilfer]]
 
Ansprechpartner: [[Rudolf Hilfer]]
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=== Parameterstudien zum Einfluss von hydrodynamischen Korrelationen auf die Dynamik von geladenen Kolloiden ===
 
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Ansprechpartner: [[Dominic Röhm]]
 
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=== [[wd:Phasendiagramm|Phasendiagramm]] von nicht zentrierten [[wd:Dipol|Dipol]]en ===
 
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Ansprechpartner: [[Rudolf Weeber]],[[Christian Holm]]
 
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=== Lösung der [[wd:Poisson-Boltzmann-Gleichung|Poisson-Boltzmann-Gleichung]] in beschränkten Geometrien ===
 
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Ansprechpartner: [[Christian Holm]]
 
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=== [[wd:Ionenkanal|Ionenkanäle]] ===
 
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Ansprechpartner: [[Christian Holm]]
 
  
 
=== Magnetische Gele ===
 
=== Magnetische Gele ===
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=== [[wd:Ionische Flüssigkeit|Ionische Flüssigkeiten]] ===
 
=== [[wd:Ionische Flüssigkeit|Ionische Flüssigkeiten]] ===
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* Dielektrisches Spektrum von Modellfluiden, Ansprechpartner: [[Christian Holm]]
 
 
* Coarse-grained Modelle für ionische Flüssigkeiten, Ansprechpartner: [[Christian Holm]]
 
* Coarse-grained Modelle für ionische Flüssigkeiten, Ansprechpartner: [[Christian Holm]]
  
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Ansprechpartner: [[Rudolf Hilfer]]
 
Ansprechpartner: [[Rudolf Hilfer]]
  
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=== Vergröbertes Potential für DNA ===
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<!--=== DNA Konformationen in eine Nanopore / DNA conformations in a nanopore  ===
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Ansprechpartner: [[Maria Fyta]]-->
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Ein neuartiges Potential dass DNA Prozesse modellieren kann würde entwickelt. Dieses Potential musst noch überprüft werden in Prozessen wie DNA Denaturierung oder DNA Dehnung.
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<!--=== Vergröbertes Potential für DNA / Coarse-grained potentials for DNA ===
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Ansprechpartner: [[Maria Fyta]]-->
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=== Biofunktionalisierte Kohlenstoff Nanostrukturen / Biofunctionalized carbon nanostructures ===
 
Ansprechpartner: [[Maria Fyta]]
 
Ansprechpartner: [[Maria Fyta]]
  
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=== Wechselwirkung von DNA und Elektroden ===
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=== Wechselwirkung von DNA und MoS2 / Interaction of DNA with MoS2 ===
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Das Projekt is relevant mit dem Prozess von DNA Translokation durch Nanoporen für das Ablesen des Erbgutes. Zwei verschiedene Arten von Nanoporen werden untersucht:
 
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* Grafen Elektroden
 
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* Funktionalisierte Nanoporen
 
 
Ansprechpartner: [[Maria Fyta]]
 
Ansprechpartner: [[Maria Fyta]]
  
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=== Fehlstellen in Diamant ===
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=== Dehnungseffekte auf Kohlenstoff Strukturen / Influence of strain on defective carbon nanostructures ===
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Molekulardynamik und Dichtenfunktional Simulationen werden benutzt um die thermische Stabilität und die elektronischen Eigenschaften von Fehlstellen in diamantartigen Materialien zu untersuchen.
 
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<!--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.-->
 
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Ansprechpartner: [[Maria Fyta]]
 
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=== Elektronische Eigenschaften von dotierten Nanostrukturen ===
 
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Quantenmechanische Simulationen werden durchgeführt um die elektronische Struktur von Kohlenstoff-basierte Materialien zu untersuchen. Diese können kleine Kohlenstoff Clusters sein, Diamantoiden, Fullerene, Nanoröhrchen und Kohlenstoff-Zwiebeln. Es wird quantitative gezeigt welcher der Einfluss der Dotierung auf die elektronische Eigenschaften ist.
 
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Ansprechpartner: [[Maria Fyta]]
 
Ansprechpartner: [[Maria Fyta]]
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=== Mechanismen der Wechselwirkung zwischen [[wd:Kompatible Solute|kompatiblen Soluten]] und Proteinen / Lipid-Membranen ===
 
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Ansprechpartner: [[Jens Smiatek]]
 
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=== Freie Energie Landschaften und Entfaltungspfade von speziellen [[wd:G-Quadruplex|DNA-Strukturen]] ===
 
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Ansprechpartner: [[Jens Smiatek]]
 
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=== Untersuchung der Auswirkungen der Beschränkung des Phasenraums auf die Faltung von Proteinen ===
 
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Ansprechpartner: [[Jens Smiatek]]
 
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=== Simulationen zur Auswirkung von hydrodynamischen und elektrostatischen Wechselwirkungen auf die Protein-Entfaltung  ===
 
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Ansprechpartner: [[Jens Smiatek]]
 
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=== Electrophoretically Driven Self-Propelled Colloidal Particles  ===
 
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In this project you will investigate the fascinating non-equilibrium world of active colloids and model self-electrophoretically driven particles. The research into chemically driven active colloids has taken off in the last years, with over a 100 publications in the field per year, compared to only a few 5 years ago. Typically, the particles achieve self-propulsion by decomposing hydrogen peroxide into water and oxygen, thus harvesting chemical energy from their environment and converting this into forward motion. However, the exact mechanism by which the conversion into motion is achieved is still poorly understood. It is speculated that both diffusiophoresis and electrophoresis could play a role, and which of the two effects dominates depends on the materials used and the environmental conditions. In order to address these pressing questions, you will further develop the GPU-based description of diffusiophoretically driven self-propelled particles that is currently available in ESPResSo using C++ and CUDA programming. You will write code to study the self-electrophoretic mechanism and compare your results to those obtained in experimental systems. This is a challenging project and should only be considered by those who have a good understanding of programming and a keen interest in physics.
 
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Contact: [[Joost de Graaf]] or [[Christian Holm]]
 
  
 
== Bachelorarbeiten {{german}} ==
 
== Bachelorarbeiten {{german}} ==
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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.
 
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.
  
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=== Poisson-Boltzmann-Löser in beschränkten Geometrien  ===
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=== NMR Relaxation Times for Hydrogels from Coarse-Grained Simulations ===
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Die [[wd:Poisson-Boltzmann-Gleichung|Poisson-Boltzmann-Gleichung]] beschreibt die [[wd:Ion|Ionen]]verteilung um geladene Objekte. Sie wird standardmäßig in biomolekularen Simulationen, z.B. zur Berechnung von [[wd:freie Energie|freien Energien]] benutzt, sowie in der Simulation von geladener weicher Materie verwendet, wie beispielsweise von [[wd:Desoxyribonukleinsäure|DNS]]-Strängen oder ladungsstabilisierten [[wd:Kolloid|Kolloiden]]. In dieser Arbeit soll die PB-Gleichung mit Hilfe des PDE-Lösers des Softwarepaketes [http://www.dune-project.org/ Dune] mittels der [[wd:Finite-Elemente-Methode|Finite-Elemente-Methode]] gelöst werden. Die Ionenverteilungen verschiedener Modellgeometrien sollen untersucht und mit Hilfe expliziter [[wd:Molekulardynamik|Molekulardynamik]]-Simulationen im Softwarepaket {{ES}} überprüft werden.
+
Hydrogels are highly absorbent and responsive polymeric networks with multiple applications, e.g. in hygiene products, medicine, desalination and for cell cultures.
 +
Coarse-Grained simulations can be used to simulate the swelling behaviour of these systems and furthermore obtain information not accessible with experiments.
 +
The goal of this project is to establish the relation between heterogeneities and network defects and NMR relaxation times in polyelectrolyte hydrogels.
 +
Because NMR relaxation times are directly accessible in experiments, these simulations will help us to make sense of recent (and ongoing) experimental results.
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Contact: [[David Beyer]], [[Mariano Brito]], [[Simon Gravelle]] or [[Christian Holm]]
  
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Ansprechpartner: [[Christian Holm]]
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=== Optimierung der Reaktions-Häufigkeit in Simulationen schwacher Polyelektrolyte ===
 +
Schwache Polyelektrolyte sind Kettenmoleküle, die aus ionisierbaren Säure- und/oder Base-Gruppen bestehen.
 +
Durch ein Wechselspiel entropischer und energetischer Effekte ergibt sich für diese Systeme ein Titrationsverhalten, das stark von dem isolierter Säure- oder Base-Moleküle abweicht.
 +
Mithilfe von Computersimulationen kann das Titrationsverhalten schwacher Polyelektrolyte theoretisch untersucht werden, hierzu sind sowohl Methoden zum Sampling verschiedener Polymer-Konformationen (z.B. Molekulardynamik) als auch verschiedener Ionisationszustände (Monte-Carlo Methoden für chemische Reaktionen) notwendig.
 +
In dieser Bachelorarbeit soll für verschiedene Monte-Carlo Methoden systematisch untersucht werden, welches Verhältnis von MD-Schritten und Reaktions-Schritten zu optimalem Sampling und damit geringstmöglichen Simulationszeiten führt.
  
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=== Parameterstudien zur Translokation von Biomolekülen durch Nanoporen ===
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Ansprechpartner: [[David Beyer]] oder [[Christian Holm]]
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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. [[wd:Desoxyribonukleinsäure|DNS]] stark geladen sind. In diesem Projekt soll die Rolle der elektrostatischen Wechselwirkung für diesen Prozess mit [[wd:Molekulardynamik|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 {{ES}} sein.
 
  
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Ansprechpartner: [[Christian Holm]]
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===  Electrophorese von Polyelektrolyten mittels eines elektrokinetischen Lösers auf Basis des Gitter-Boltzmann Algorithmus (LB) ===
  
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=== Messung der dielektrischen Konstante in einer ionischen Flüssigkeit ===
+
Beim Transport von geladenen Polymer wie  z.B. [[wd:Desoxyribonukleinsäure|DNS]] spielen elektrostatische Wechselwirkungen eine große Rolle. In diesem Projekt soll die sogenannte elektrophoretische Mobilität von Polyelektrolyten wie eventuell auch Kolloiden mit [[wd:Molekulardynamik|molekulardynamischen Simulationen]] unter Benutzung eines Gitteralgorithmus auf der Basis der Gitter-Boltzmann Methode untersucht werden, um so die wissenschaftliche Grundlage für ein genaues Verständnis dieses Prozesses zu legen.  Das zugrundeliegende Softwarepaket wird {{ES}} und eventuell waLBerla sein.
−
Mit einem vereinfachten Modell von harten geladenen Kugeln soll im Rahmen einer [[wd:Molekulardynamik|Molekulardynamischen Simulation]] die [[wd:Dielektrizitätskonstante|statische dielektrische Konstante]] bestimmt werden, wie sie aus Messungen mittels [[wd:Dielektrische Spektroskopie|dielektrischer Spektroskopie]] bestimmt wird.
 
  
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Ansprechpartner: [[Christian Holm]]
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Ansprechpartner: [[Christian Holm]] oder [[Florian Weik]]
  
 
=== Phasenverhalten von dipolaren Flüssigkeiten ===
 
=== Phasenverhalten von dipolaren Flüssigkeiten ===
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Ansprechpartner: [[Rudolf Weeber]] oder [[Christian Holm]]
 
Ansprechpartner: [[Rudolf Weeber]] oder [[Christian Holm]]
  
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<!--=== Wechselwirkung von DNA und Metalle ===
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=== Vergröberte Modelle von ionischen Flüssigkeiten ===
 
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Es existiert eine Klasse von [[wd:Ionische Flüssigkeit|ionische Flüssigkeiten]] mit Schmelzpunkten unterhalb 100&deg;, 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 [[wd:Molekulardynamik|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.   
 
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Ansprechpartner: [[Christian Holm]] oder [[Konrad Breitsprecher]]
 
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=== Gitter-Boltzmann-Simulationen auf [[wd:GPGPU|Grafikprozessoren]] ===
 
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Grafikprozessoren (GPUs) sind bei geeigneten Algorithmen mehr als 10 mal so schnell wie ein vergleichbarer konventioneller Prozessor. Zu diesen Algorithmen zählt z.B. die [[wd:Lattice-Boltzmann-Methode|Gitter-Boltzmann-Methode]] für [[wd:Strömungsdynamik|Strömungsdynamik]]. Diese Methode wird in unserer Arbeitsgruppe eingesetzt, um klassische Teilchen mit [[wd:Hydrodynamik|hydrodynamischen]] Wechselwirkungen zu simulieren. Dabei läuft eine [[wd:Molekulardynamik|Molekulardynamik-Simulation]] in der Software {{ES}}, während die Strömungsdynamik auf einer GPU gerechnet wird. Im Rahmen einer Bachelorarbeit sollen Performancemessungen an unserem Code vorgenommen werden, sowie neue Randbedingungen implementiert werden, um etwa Mikrokanäle zu simulieren.
 
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−
Ansprechpartner: [[Dominic Röhm]]
 
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=== Mechanische Eigenschaften von DNA in Salzlösung ===
 
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Die Steifigkeit der DNA für vershiedenen Längen wird gegenüber Salz Konzetration und Temperatur untersucht. Die Simulationen werden mittels Molekulardynamik mit elektrokinetischen Effekten und mit ein neuartiges Potential für die DNA durchgeführt.
 
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Ansprechpartner: [[Maria Fyta]]
 
Ansprechpartner: [[Maria Fyta]]
 +
=== Übertragbarkeit von klassischen ionischen Kraftfeldern ===
 +
Ansprechpartner: [[Maria Fyta]]-->
 +
=== Biofunktionalisierte Kohlenstoff Nanostrukturen ===
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Ansprechpartner: [[Maria Fyta]] oder [[Bibek Adhikari]]
  
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=== Transferierbarkeit von klassischen ionischen Kraftfeldern ===
+
=== Funktionalisierung/Dotierung von ultradünne MoS2 Schichten ===
−
 
+
Ansprechpartner: [[Maria Fyta]] oder [[Ganesh Sivaraman]]
−
Optimierte klassische ionische Kraftfelder sind wichtig für Molekulardynamik Simulationen, insbesondere wenn man biophysikalische Prozesse von Biomolekülen in Salz Lösung modellieren will. Dazu muss man sorgfältig die Transferierbarkeit von existierende ionischen Kraftfeldern für verschiedene Salze und Konzetrationen testen.
 
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Ansprechpartner: [[Maria Fyta]]
 
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=== Dotierung von Diamantoiden ===
 
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Diamantoiden sind sehr kleine diamantartige Nanostrukturen die mit Wasserstoff Atomen terminiert sind. In diesem Projekt wird der Einfluss der Dotierung von Diamantoiden auf deren elektronischen und mechanischen Eigenschaften untersucht. Die Simulationen werden mittels quanten-mechanischen Methoden und Molekulardynamik (für die thermische Stabilität von diesen Materialien) durchgeführt.
 
−
<!--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.-->
 
  
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<!--=== Thermische Stabilität von defekten Nanostrukturen ===
 
Ansprechpartner: [[Maria Fyta]]
 
Ansprechpartner: [[Maria Fyta]]
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=== Elastische Eigenschaften von nicht idealen Nanostrukturen ===
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<!--=== Coalescence of Carbon onions ===
 
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Carbon onions are concentric fullerene structures and can be used in 3-D nanoarchitecture of novel materials. In this respect, the project will focus in ways to promote the coalescence of these structures. It will also be tested, whether dopant atoms will be essential in increasing the binding energy of adjacent carbon onions. The simulations will be carried out with Molecular Dynamics simulations. A quantum-mechanical approach can be used to calculate the electronic properties of the coalesced nanoparticles and compare these with the standing-alone carbon onions.
 
−
 
 
 
Ansprechpartner: [[Maria Fyta]]-->
 
Ansprechpartner: [[Maria Fyta]]-->
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=== Helix-Struktur-Entstehung bei einem vergröberten Polymer unter Nicht-Gleichgewichtsbedingungen ===
 
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Ansprechpartner: [[Jens Smiatek]]
 
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=== Wechselwirkungen zwischen [[wd:Chaotrope Verbindung|kosmotropen / chaotropen Soluten]] und Proteinen ===
 
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Ansprechpartner: [[Jens Smiatek]]
 
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=== Untersuchung von Wassereigenschaften in Anwesenheit von [[wd:Hitzeschockproteine|Hitze/Kälte-Schock-Proteinen]] ===
 
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Ansprechpartner: [[Jens Smiatek]]
 
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−
=== Dichteabhängige Diffusion von geladenen Kolloiden während der Kristallbildung ===
 
−
 
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Verschiedene Diffusionsprozesse spielen eine wichtige Rolle bei der Bildung von
 
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Kolloidkristallen, da die Kristallisation ein Zusammenspiel von
 
−
Anordnung und Teilchentransport zur Kristalloberfläche darstellt. In dieser
 
−
Studie soll der Einfluss der Dichte auf die Diffusion von geladenen Kolloiden
 
−
untersucht werden. Dazu sollen als Ausgangspunkt die bekannten Gesetze für
 
−
harte Kugeln dienen und im weiteren die Dichteabhängigkeit der Diffusion und
 
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der hydrodynamischen Wechselwirkungen im Falle von geladenen Kolloiden ermittelt
 
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werden.
 
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Ansprechpartner: [[Dominic Röhm]]
 
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=== Einfluss laminarer Strömungen auf die Kristalllisationsgeschwindigkeit von Kolloidkristallen ===
 
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Experimentielle Untersuchungen von Kolloidlösungen zeigen einen starken Einfluss der Thermalisierungart auf die Kristallisationsgeschwindigkeit auf. Innerhalb dieser Bachelorarbeit sollen die Kristallisationsgeschwindigkeiten nach Anlegen eines Scherflusses
 
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ermittelt und mit den vorhandenen Daten der Kristallisation ohne Scherfluss verglichen werden.
 
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Ansprechpartner: [[Dominic Röhm]]
 
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=== DNA-Attraktion in multivalenten Elektrolyten ===
 
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Die Anziehung negativ geladener DNA Fragmente in multivalenten Elektrolyten soll untersucht und experimentelle Ergebnisse reproduziert werden.
 
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Ansprechpartner: [[Florian Weik]]
 
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=== Vorhersage der Gleichgewichtsaufquellung eines Hydrogels in multivalenten Salzlösungen ===
 
=== Vorhersage der Gleichgewichtsaufquellung eines Hydrogels in multivalenten Salzlösungen ===
  
 
Hydrogele sind Polymernetzwerke deren Volumen in Salzlösung enorm zunehmen kann. Das Schwellverhalten kann durch einige äußere Parameter beeinflusst werden. Dazu gehören der pH-Wert, Temperatur, Zusammensetzung der Salzlösung, Licht oder elektrische Felder. In dieser Bachelorarbeit soll das Schwellverhalten eines vergröberten Hydrogelmodells mit Hilfe von {{es}} untersucht werden.
 
Hydrogele sind Polymernetzwerke deren Volumen in Salzlösung enorm zunehmen kann. Das Schwellverhalten kann durch einige äußere Parameter beeinflusst werden. Dazu gehören der pH-Wert, Temperatur, Zusammensetzung der Salzlösung, Licht oder elektrische Felder. In dieser Bachelorarbeit soll das Schwellverhalten eines vergröberten Hydrogelmodells mit Hilfe von {{es}} untersucht werden.
  
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Ansprechpartner: [[Rudolf Weeber]]
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Ansprechpartner: [[Christian Holm ]] oder [[Jonas Landsgesell]]
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=== Superkondensatoren 1: Einfluss eines Überlapps der Ionenschichtungen ===
 
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Bei Superkondensatoren kommen ionische Flüssigkeiten zum Einsatz. Wird der Kondensator geladen, so werden die Oberflächenladungen der Elektroden durch Anlagerung von Gegenionen der ionischen Flüssigkeit abgeschirmt. Dies führt zu einer Ausbildung des sogenannten Bulk Bereichs, in dem kein Feld mehr vorhanden ist. In dieser Bachelorarbeit soll ein extrem schmales Superkondensatorsystem untersucht werden, bei dem sich die angelagerten Schichten der gegenüberliegenden Elektroden überlappen und somit eine Ausbildung des Bulk Bereichs verhindert wird.
 
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−
Ansprechpartner: [[Konrad Breitsprecher]]
 
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=== Superkondensatoren 2: Ladungsdynamik von Kondensatoren mit verunreinigter ionischer Flüssigkeit ===
 
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Ansprechpartner: [[Konrad Breitsprecher]]
 
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=== Bewegung selbstgetriebener Kolloide durch eine inerte Flüssigkeit ===
 
  
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Beschreibung des Verhaltens aktiver Teilchen in einer dichten Flüssigkeit mit Hilfe des Simulationspakets {{es}}.
+
=== Untersuchung zur Entfaltung spezieller DNA Strukturen===
  
−
Ansprechpartner: [[Joost de Graaf]]
+
Ansprechpartner: [[Jens Smiatek]] oder [[Ewa Anna Oprzeska-Zingrebe]]
  
−
=== Hydrodynamische Wechselwirkungen zwischen selbstgetriebenen stabförmigen und anders geformten Teilchen ===
+
=== Simulation von Puffer-Lösungen ===
  
−
Mit Hilfe einer MD Simulation soll die Bewegung von verschieden geformten aktiven Teilchen untersucht werden.
+
Ansprechpartner: [[Jens Smiatek]] oder [[Julian Michalowsky]]
  
−
Anprechpartner: [[Joost de Graaf]]
+
=== Chapman-Enskog-Analyse von Lattice-Boltzmann-Krafttermen ===
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Die [[w:Lattice Boltzmann methods|Lattice-Boltzmann-Methode]] (LB) ist ein effizientes numerisches Verfahren, um die Navier-Stokes-Gleichungen auf einem Gitter zu lösen und so Strömungsfelder zu bestimmen. Da Soft Matter oft in wässriger Lösung vorzufinden ist, benutzen die meisten unserer Simulationen dieses Verfahren.
 +
Die Boltzmanngleichung gilt auf mesoskopischen Skalen Skalen und beschreibt Wahrscheinlichkeitsverteilungen, während die Navier-Stokes-Gleichungen Impuls- und Massenflüsse betrachten. Die Äquivalenz der beiden Herangehensweisen wird durch eine [[w:Chapman–Enskog_theory|Chapman-Enskog-Expansion]] (CE) gezeigt.
  
−
=== Entwicklung eines vergröberten MARTINI-Kraftfelds ===
+
Es gibt unterschiedliche Wege, Kräfte in einer LB-Methode zu berücksichtigen, aber bislang keinen gründlichen Vergleich zwischen ihnen im Rahmen einer CE. Es gibt ein in Python geschriebenes Tool namens [http://pycodegen.pages.walberla.net/lbmpy/ lbmpy], das ein Computeralgebrasystem nutzt, um automatisch CEs für LBs berechnen. Dieses kann jedoch [https://i10git.cs.fau.de/pycodegen/lbmpy/-/issues/12 bislang] keine Kräfte berücksichtigen.
  
−
Ansprechpartner: [[Jens Smiatek]]
+
Im Rahmen einer Bachelorarbeit soll die CE für LB-Kräfte aufgestellt werden. Dies ist eine primär theoretische Aufgabe, da hierzu die in der Literatur gefundenen Herangehensweisen zusammengefasst und verallgemeinert werden sollen.
 +
Anschließend wird die CE in lbmpy implementiert und auf verschiedene Kraftterme angewendet, um deren Genauigkeit und Stabilität zu bestimmen.
  
−
=== Untersuchung der Wechselwirkung von Osmolyten und DNA ===
+
Ansprechpartner: [[Michael Kuron]], [[Rudolf Weeber]]
  
−
Ansprechpartner: [[Jens Smiatek]]
+
Weitere Literatur: <bibentry>krueger17a,schiller08a,bauer20b-pre</bibentry>

Revision as of 19:31, 14 December 2021

If you are looking for topics for a PhD thesis, have a look at Open Positions.

Masterarbeiten germany.png

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 Masterarbeit am ICP zu schreiben, der kann Rudolf Hilfer, Christian Holm, 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

Fraktionale Ableitungen und dielektrische Relaxation

Ansprechpartner: Rudolf Hilfer

Systemgrößenskalierung und Simulation von Phasenübergängen

Ansprechpartner: Rudolf Hilfer

Magnetische Gele

Ansprechpartner: Rudolf Weeber,Christian Holm

Ionische Flüssigkeiten

  • Coarse-grained Modelle für ionische Flüssigkeiten, Ansprechpartner: Christian Holm

Mikrostrukturbildung und Phasenverhalten von kolloidalen Janus-Teilchen

Ansprechpartner: Christian Holm

Implementierung, Verbesserung und Anwendung moderner Simulationsalgorithmen in der Software ESPResSo

Ansprechpartner: Florian Weik

Mehrphasenströmungen in porösen Medien

Ansprechpartner: Rudolf Hilfer

Dreidimensionale Bildverarbeitung

Ansprechpartner: Rudolf Hilfer

Biofunktionalisierte Kohlenstoff Nanostrukturen / Biofunctionalized carbon nanostructures

Ansprechpartner: Maria Fyta

Wechselwirkung von DNA und MoS2 / Interaction of DNA with MoS2

Ansprechpartner: Maria Fyta

Dehnungseffekte auf Kohlenstoff Strukturen / Influence of strain on defective carbon nanostructures

Ansprechpartner: Maria Fyta

Bachelorarbeiten germany.png

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, 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.

NMR Relaxation Times for Hydrogels from Coarse-Grained Simulations

Hydrogels are highly absorbent and responsive polymeric networks with multiple applications, e.g. in hygiene products, medicine, desalination and for cell cultures. Coarse-Grained simulations can be used to simulate the swelling behaviour of these systems and furthermore obtain information not accessible with experiments. The goal of this project is to establish the relation between heterogeneities and network defects and NMR relaxation times in polyelectrolyte hydrogels. Because NMR relaxation times are directly accessible in experiments, these simulations will help us to make sense of recent (and ongoing) experimental results.

Contact: David Beyer, Mariano Brito, Simon Gravelle or Christian Holm

Optimierung der Reaktions-Häufigkeit in Simulationen schwacher Polyelektrolyte

Schwache Polyelektrolyte sind Kettenmoleküle, die aus ionisierbaren Säure- und/oder Base-Gruppen bestehen. Durch ein Wechselspiel entropischer und energetischer Effekte ergibt sich für diese Systeme ein Titrationsverhalten, das stark von dem isolierter Säure- oder Base-Moleküle abweicht. Mithilfe von Computersimulationen kann das Titrationsverhalten schwacher Polyelektrolyte theoretisch untersucht werden, hierzu sind sowohl Methoden zum Sampling verschiedener Polymer-Konformationen (z.B. Molekulardynamik) als auch verschiedener Ionisationszustände (Monte-Carlo Methoden für chemische Reaktionen) notwendig. In dieser Bachelorarbeit soll für verschiedene Monte-Carlo Methoden systematisch untersucht werden, welches Verhältnis von MD-Schritten und Reaktions-Schritten zu optimalem Sampling und damit geringstmöglichen Simulationszeiten führt.

Ansprechpartner: David Beyer oder Christian Holm

Electrophorese von Polyelektrolyten mittels eines elektrokinetischen Lösers auf Basis des Gitter-Boltzmann Algorithmus (LB)

Beim Transport von geladenen Polymer wie z.B. DNS spielen elektrostatische Wechselwirkungen eine große Rolle. In diesem Projekt soll die sogenannte elektrophoretische Mobilität von Polyelektrolyten wie eventuell auch Kolloiden mit molekulardynamischen Simulationen unter Benutzung eines Gitteralgorithmus auf der Basis der Gitter-Boltzmann Methode untersucht werden, um so die wissenschaftliche Grundlage für ein genaues Verständnis dieses Prozesses zu legen. Das zugrundeliegende Softwarepaket wird ESPResSo und eventuell waLBerla sein.

Ansprechpartner: Christian Holm oder Florian Weik

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

Biofunktionalisierte Kohlenstoff Nanostrukturen

Ansprechpartner: Maria Fyta oder Bibek Adhikari

Funktionalisierung/Dotierung von ultradünne MoS2 Schichten

Ansprechpartner: Maria Fyta oder Ganesh Sivaraman

Vorhersage der Gleichgewichtsaufquellung eines Hydrogels in multivalenten Salzlösungen

Hydrogele sind Polymernetzwerke deren Volumen in Salzlösung enorm zunehmen kann. Das Schwellverhalten kann durch einige äußere Parameter beeinflusst werden. Dazu gehören der pH-Wert, Temperatur, Zusammensetzung der Salzlösung, Licht oder elektrische Felder. In dieser Bachelorarbeit soll das Schwellverhalten eines vergröberten Hydrogelmodells mit Hilfe von ESPResSo untersucht werden.

Ansprechpartner: Christian Holm oder Jonas Landsgesell

Untersuchung zur Entfaltung spezieller DNA Strukturen

Ansprechpartner: Jens Smiatek oder Ewa Anna Oprzeska-Zingrebe

Simulation von Puffer-Lösungen

Ansprechpartner: Jens Smiatek oder Julian Michalowsky

Chapman-Enskog-Analyse von Lattice-Boltzmann-Krafttermen

Die Lattice-Boltzmann-Methode (LB) ist ein effizientes numerisches Verfahren, um die Navier-Stokes-Gleichungen auf einem Gitter zu lösen und so Strömungsfelder zu bestimmen. Da Soft Matter oft in wässriger Lösung vorzufinden ist, benutzen die meisten unserer Simulationen dieses Verfahren. Die Boltzmanngleichung gilt auf mesoskopischen Skalen Skalen und beschreibt Wahrscheinlichkeitsverteilungen, während die Navier-Stokes-Gleichungen Impuls- und Massenflüsse betrachten. Die Äquivalenz der beiden Herangehensweisen wird durch eine Chapman-Enskog-Expansion (CE) gezeigt.

Es gibt unterschiedliche Wege, Kräfte in einer LB-Methode zu berücksichtigen, aber bislang keinen gründlichen Vergleich zwischen ihnen im Rahmen einer CE. Es gibt ein in Python geschriebenes Tool namens lbmpy, das ein Computeralgebrasystem nutzt, um automatisch CEs für LBs berechnen. Dieses kann jedoch bislang keine Kräfte berücksichtigen.

Im Rahmen einer Bachelorarbeit soll die CE für LB-Kräfte aufgestellt werden. Dies ist eine primär theoretische Aufgabe, da hierzu die in der Literatur gefundenen Herangehensweisen zusammengefasst und verallgemeinert werden sollen. Anschließend wird die CE in lbmpy implementiert und auf verschiedene Kraftterme angewendet, um deren Genauigkeit und Stabilität zu bestimmen.

Ansprechpartner: Michael Kuron, Rudolf Weeber

Weitere Literatur:

  • U. D. Schiller.
    Thermal fluctuations and boundary conditions in the lattice Boltzmann method.
    PhD thesis, Johannes Gutenberg-Universität Mainz, 2008.
    [PDF] (938 KB) [DOI]
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