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== Diplom- und Bachelorarbeiten ==
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If you are looking for topics for a PhD thesis, have a look at [[Open Positions]].
  
Diplomarbeiten können bei uns im Bereich Simulation und Theorie weicher Materie durchgeführt werden. Dies umfasst insbesondere Nukleation, Ferrofluide, Hydrogele sowie Polymere und Biomoleküle. Aktuelle Themen sind
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== Masterarbeiten {{german}} ==
* Nicht zentrierte Dipole
 
* IPBS (Iterativer Poisson-Boltzmann-Löser)
 
* Ionkanäle
 
* Janus-Teilchen
 
* Ionische Flüssigkeiten: Dielektrisches Spektrum für Modellfluide
 
* Magnetische Gele
 
  
=== Bachelorarbeiten ===
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Masterarbeiten können bei uns in den Bereichen ''Statistische Physik'',
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''Theorie und Simulation poröser Medien'', ''Fraktionale Infinitesimalrechnung''
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''Simulation und Theorie weicher Materie'' durchgeführt werden.
  
==== Parameterstudien zur Translokation von Biomolekülen durch Nanoporen ====
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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 {{es}} orientieren.
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 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 DNA genutzt werden. 
 
Interessierte Studierende sollten über Grundlagen der statistischen Physik/Thermodynamik und über tragfähige Grundlagen mit UNIX-Systemen verfügen. Erfahrungen in der Programmierung mit Skriptsprachen oder Hochsprachen (C, C++) sind von Vorteil. Das zugrundeliegende Softwarepaket wird {{ES}} sein.  
 
  
==== Mesoskalige Hydrodynamik mittels eines Gitter-Boltzmann Algorithmus ====
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Wer Interesse daran hat, eine Masterarbeit am ICP zu schreiben, der kann [[Rudolf Hilfer]], [[Christian Holm]] oder [[Alexander Schlaich]] 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.
Hydrodynamische Wechselwirkungen in kolloidalen Suspensionen werden durch korrelierte Kolloisionen der Lösungsmittelteilchen mit  den Kolloiden erzeugt, und im Kontinuum mittels der Navier-Stokes Gleichung beschrieben. In MD Simulationen, die ein sogenanntes implizites Lösungsmittel benutzen (also keine Lösungsmittelteilchen) , können somit keine hydrodynamischen Wechselwirkungen generiert werden. Eine Art, diese in eine vergröberte MD Simulation zu berücksichtigen, ist der Gitter(=Lattice)-Boltzmann Algorithmus, der auf einer Gitterflüssigkeit beruht. In der Bachelorarbeit soll ein Skript und ein Tutorial zur Behandlung des Poisseulle Flusses in einer Schlitzpore erstellt werden. Der Algorithmus ist bereits innerhalb des Programmpakets {{ES}} implementiert.
 
  
==== Messung der dielektrischen Konstante in einer ionischen Flüssigkeit ====
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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.
Mit einem vereinfachten Modell von harten geladenen Kugeln soll im Rahmen einer Molekulardynamischen Simulation die statische dielektrische Konstante bestimmt werden, sowie sie aus Messungen mittels dielektrischer Spektroskopie bestimmt wird.
 
  
==== 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 ein System untersucht werden, in dem mehrere Lagen stark dipolar  wechselwirkender Molekuele uebereinander angeordnet sind. Ziel der Arbeit ist es, Grundzustandsstrukturren 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 (www.espresso.mpg.de) zum Einsatz kommen.
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=== Simulationen zur Leitfähigkeit von Polymerelektrolyten ===
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Ansprechpartner: [[Christian Holm]]
  
Ansprechpartner: [[Rudolf Weeber]] (Rudolf Weeber <weeber@ica1.uni-stuttgart.de>)
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=== Simulationen zur Meerwasserentsalzung mittels Hydrogelen ===
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Ansprechpartner: [[Christian Holm]]
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=== Theorien und numerische Methoden für poröse Medien ===
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Ansprechpartner: [[Rudolf Hilfer]]
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=== Fraktionale Ableitungen und dielektrische Relaxation ===
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Ansprechpartner: [[Rudolf Hilfer]]
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=== Systemgrößenskalierung und Simulation von Phasenübergängen ===
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Ansprechpartner: [[Rudolf Hilfer]]
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=== Magnetische Gele ===
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Ansprechpartner: [[Rudolf Weeber]],[[Christian Holm]]
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=== [[wd:Ionische Flüssigkeit|Ionische Flüssigkeiten]] ===
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* Coarse-grained Modelle für ionische Flüssigkeiten, Ansprechpartner: [[Christian Holm]]
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=== Mikrostrukturbildung und Phasenverhalten von kolloidalen Janus-Teilchen ===
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Ansprechpartner: [[Christian Holm]]
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=== Mehrphasenströmungen in porösen Medien ===
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=== Dreidimensionale Bildverarbeitung ===
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Ansprechpartner: [[Rudolf Hilfer]]
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== Bachelorarbeiten {{german}} ==
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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]] oder [[Alexander Schlaich]] aufnehmen und nach weiteren Themen fragen.
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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.
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=== NMR Relaxation Times for Hydrogels from Coarse-Grained Simulations ===
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Hydrogels are highly absorbent and responsive polymeric networks with multiple applications, e.g. in hygiene products, medicine, desalination and for cell cultures.
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Coarse-Grained simulations can be used to simulate the swelling behaviour of these systems and furthermore obtain information not accessible with experiments.
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The goal of this project is to establish the relation between heterogeneities and network defects and NMR relaxation times in polyelectrolyte hydrogels.
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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: [[Simon Gravelle]], [[David Beyer]], [[Mariano Brito]],  [[Alexander Schlaich]] or [[Christian Holm]]
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=== Phasenverhalten von dipolaren Flüssigkeiten ===
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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 {{ES}} implementiert, was auch benutzt werden soll.
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Ansprechpartner: [[Rudolf Weeber]] oder [[Christian Holm]]
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=== 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.
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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.
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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.
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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.
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Anschließend wird die CE in lbmpy implementiert und auf verschiedene Kraftterme angewendet, um deren Genauigkeit und Stabilität zu bestimmen.
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Ansprechpartner: [[Michael Kuron]], [[Rudolf Weeber]]
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Weitere Literatur: <bibentry>krueger17a,schiller08a,bauer20b-pre</bibentry>

Latest revision as of 21:43, 22 September 2022

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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 oder Alexander Schlaich 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

Mehrphasenströmungen in porösen Medien

Ansprechpartner: Rudolf Hilfer

Dreidimensionale Bildverarbeitung

Ansprechpartner: Rudolf Hilfer


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 oder Alexander Schlaich 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: Simon Gravelle, David Beyer, Mariano Brito, Alexander Schlaich or Christian Holm

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


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: