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

Fraktionale Ableitungen und dielektrische Relaxation

Ansprechpartner: Rudolf Hilfer

Systemgrößenskalierung und Simulation von Phasenübergängen

Ansprechpartner: Rudolf Hilfer

Parameterstudien zum Einfluss von hydrodynamischen Korrelationen auf die Dynamik von geladenen Kolloiden

Ansprechpartner: Dominic Röhm,Axel Arnold

Phasendiagramm von nicht zentrierten Dipolen

Ansprechpartner: Rudolf Weeber,Christian Holm

Lösung der Poisson-Boltzmann-Gleichung in beschränkten Geometrien

Ansprechpartner: Stefan Kesselheim

Ionenkanäle

Ansprechpartner: Stefan Kesselheim

Magnetische Gele

Ansprechpartner: Rudolf Weeber,Christian Holm

Ionische Flüssigkeiten

• Dielektrisches Spektrum von Modellfluiden, Ansprechpartner: Christian Holm
• 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: Olaf Lenz

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

Vergröbertes Potential für DNA

Ein neuartiges Potential dass DNA Prozesse modellieren kann würde entwickelt. Dieses Potential musst noch überprüft werden in Prozessen wie DNA Denaturierung oder DNA Dehnung.

Ansprechpartner: Maria Fyta

Wechselwirkung von DNA und Elektroden

Das Projekt is relevant mit dem Prozess von DNA Translokation durch Nanoporen für das Ablesen des Erbgutes. Zwei verschiedene Arten von Nanoporen werden untersucht:

• Grafen Elektroden
• Funktionalisierte Nanoporen

Ansprechpartner: Maria Fyta

Fehlstellen in Diamant

Molekulardynamik und Dichtenfunktional Simulationen werden benutzt um die thermische Stabilität und die elektronischen Eigenschaften von Fehlstellen in diamantartigen Materialien zu untersuchen.

Ansprechpartner: Maria Fyta

Elektronische Eigenschaften von dotierten Nanostrukturen

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.

Ansprechpartner: Maria Fyta

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

Electrophoretically Driven Self-Propelled Colloidal Particles

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.

Contact: Joost de Graaf or Christian Holm

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: Christian Holm 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: Christian Holm oder Konrad Breitsprecher

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 neue Randbedingungen implementiert werden, 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

Mechanische Eigenschaften von DNA in Salzlösung

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.

Ansprechpartner: Maria Fyta

Transferierbarkeit von klassischen ionischen Kraftfeldern

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.

Ansprechpartner: Maria Fyta

Dotierung von Diamantoiden

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.

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

Dichteabhängige Diffusion von geladenen Kolloiden während der Kristallbildung

Verschiedene Diffusionsprozesse spielen eine wichtige Rolle bei der Bildung von 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 der hydrodynamischen Wechselwirkungen im Falle von geladenen Kolloiden ermittelt werden.

Ansprechpartner: Dominic Röhm, Axel Arnold

Einfluss laminarer Strömungen auf die Kristalllisationsgeschwindigkeit von Kolloidkristallen

Experimentielle Untersuchungen von Kolloidlösungen zeigen einen starken Einfluss der Thermalisierungart auf die Kristallisationsgeschwindigkeit auf. Innerhalb dieser Bachelorarbeit sollen die Kristallisationsgeschwindigkeiten nach Anlegen eines Scherflusses ermittelt und mit den vorhandenen Daten der Kristallisation ohne Scherfluss verglichen werden.

Ansprechpartner: Dominic Röhm, Axel Arnold

Hydrodynamic Interactions in Rotator Phases of Shape-Anisotropic Colloids

Recent experimental studies on shape anisotropic colloids, such as rods and polyhedra, have shown that crystalline phases appear for which the particles can rotate freely, so-called rotator phases. These rotator phases can be seen as the diametric opposite of a liquid crystal, in which there is orientational order, but no (or limited) translational order. When charged rods, for instance, are suspended in a low-dielectric medium a double-layer is formed which is much larger than the colloids themselves. This allows the particles to crystallize, as the effective volume of the almost spherical double layer causes the system to reach the crystallization density. However, the micron-sized rods themselves can have a nearest-neighbor distance of many microns, which eliminates the possibility of hard (contact) interactions. This gives the colloidal rods the freedom to rotate around a center point, due to thermal fluctuations, without coming into contact with their neighbors.

In this Bachelor's project you will investigate the relevance of the long-ranged forces that are present in such rotator phases, weighing the relevance of electrostatic and hydrodynamic contributions. You will use both simulation methods on the Lattice-Boltzmann level and theoretical calculations of hydrodynamic interactions to answer questions regarding the nature of these rotator phases: Is the rotation of the particles truly independent? What is the influence of hydrodynamic interactions on any coupling between particles? Successful completion of this project will lead to publishable results. The project can be done either in German or in English.

N.B. There is already a Bachelor who is interested in this topic.

Contact: Joost de Graaf, Christian Holm

Hydrodynamic Interactions for a Sphere Confined between two Parallel Plates

Recent investigations at the University of Stuttgart of the diffusion coefficient of a sphere confined between two parallel plates have shown that there is a deviation between the theoretical prediction and the experimental observations. In this Bachelor's project you will investigate this seemingly simple, but in reality very complex system. The project focuses on performing Lattice-Boltzmann simulations by which you will strive to clarify the experimental observations. However, you will also be required to familiarize yourself with the complex theoretical calculations that are involved in the description of the hydrodynamic coupling in this system and the problems that have come up in deriving a satisfactory theoretical description. Successful completion of this project could lead to co-authorship on a joined experimental/simulation paper. The project can be done either in German or in English.

N.B. There is already a Bachelor who is interested in this topic.

Contact: Joost de Graaf, Olaf Lenz