Molecular Dynamics Simulation of electrically modulated nanopores

Elektrisch modulierbare Nanoporen ermöglichen die Entwicklung nanofluidischer Bauelemente für Mischen, Separation und Transport. Sie erlauben eine präzise Steuerung des Ionenflusses mittels Spannungs-Gating. Die Vorhersagefähigkeit solcher Systeme ist jedoch derzeit stark eingeschränkt, da die Wechselwirkungen zwischen Fluidmechanik und Elektrochemie hochkomplex sind. Um hochgenaue prädiktive Werkzeuge für diese Systeme zu entwickeln, werden sowohl Computational Fluid Dynamics (CFD) auf Kontinuumsskala als auch Molekulardynamik-Simulationen (MD) eingesetzt, um das Verhalten ionischer Lösungen in Nanoporen unter variierenden elektrostatischen Bedingungen zu simulieren. Insbesondere zielen MD-Simulationen darauf ab, Dynamiken auf der Nanometerskala aufzulösen. Ziel dieses Projekts ist es, die MD-Methode anzuwenden, um ionengetriebenen Fluss in verdünnten Elektrolytlösungen mit der Software LAMMPS zu simulieren. Das Hauptziel besteht darin, eine Mehrkomponenten-(Mehrspezies-)MD-Simulation von Elektrolytsalzen zu implementieren und zu validieren, die an einer ebenen, geladenen Wand auf der Nanoskala eine elektrische Doppelschicht (EDL) ausbilden. Die Ergebnisse einer validierten Simulation sollen als Grundlage für die Einbindung in ein größeres Co-Simulationsframework mit CFD-Simulationen dienen. Ein solcher hybrider atomistisch-kontinuierlicher Ansatz ist ideal, um räumliche und zeitliche Skalen aufzulösen und detaillierte Einblicke in Ionentransportprozesse, Strömungseigenschaften und Modulationen des elektrischen Potentials innerhalb elektrischer Doppelschichten zu gewinnen. Eine erfolgreiche Studie liefert eine statistische Charakterisierung des Ionenflusses, einschließlich Geschwindigkeitsprofile, Ionenverteilung und Ionen-Lösungsmittel-Wechselwirkungen, und trägt somit zu einem besseren Verständnis der zugrunde liegenden komplexen Physik und Elektrochemie bei.

Zur Unterstützung wissenschaftlicher Arbeiten im Kompetenzbereich Oberflächentechnik

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Im kommenden Wintersemester 2025/26 findet die Lehrveranstaltung „Systemtheorie und Regelungstechnik“ für alle Bachelor-Studenten/innen im fünften Semester des Studiengangs „Mechanical Engineering – Sustainable Engineering“ statt. Hierfür werden Tutoren/innen gesucht, die den Übungsbetrieb unterstützen und aktiv mitgestalten.