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Weiterbewilligung für Sonderforschungsbereich 716

Milliarden Atome tanzen weiter

Die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) hat grünes Licht für die Weiterförderung des Sonderforschungsbereichs (SFB) 716 „Dynamische Simulation von Systemen mit großen Teilchenzahlen“ gegeben. Der Förderumfang beträgt von 2011 bis 2014 rund zwei Millionen Euro jährlich. „Mit ihrer Entscheidung honoriert die DFG einerseits die Exzellenz der Stuttgarter Natur- und Ingenieurwissenschaften, zum anderen die international herausragende Stellung der Universität Stuttgart auf dem Gebiet der Simulationstechnologien und Visualisierung sowie deren hervorragende Ausstattung und Know-how im Bereich des Höchstleistungsrechnens“, so Uni-Rektor Prof. Wolfram Ressel. Ziel des im Jahr 2007 angelaufenen Sonderforschungsbereiches 716 (Sprecher Prof. Hans-Rainer Trebin) ist es, im Computer Teilchensysteme zu simulieren. Aus Partikeln, auf der untersten Stufe aus Atomen, ist jede Art von Materie aufgebaut.

Die Wissenschaftler des Sonderforschungsbereichs 716 simulieren Teilchensysteme aus den verschiedensten Anwendungsbereichen. Das Bild zeigt  den Querschnitt durch eine Teilchenwolke, wie sie bei der Laserbearbeitung emittiert wird.
Die Wissenschaftler des Sonderforschungsbereichs 716 simulieren Teilchensysteme aus den verschiedensten Anwendungsbereichen. Das Bild zeigt den Querschnitt durch eine Teilchenwolke, wie sie bei der Laserbearbeitung emittiert wird.
Das Bild zeigt eine abstrahierende Darstellung von Lösungsmittelbewegungen an einem Protein.   (Abbildungen: Institute)
Das Bild zeigt eine abstrahierende Darstellung von Lösungsmittelbewegungen an einem Protein. (Abbildungen: Institute)

Ein Bereich des SFB befasst sich mit Prozessen in Festkörpern auf atomistischer Skala. Die Wissenschaftler simulieren zum Beispiel, wie ein Laserstrahl auf einen Aluminiumblock trifft, die Oberfläche aufschmilzt und durch Auswurf des Materials ein Loch bohrt. Indem man im Rechner die Intensität des Strahles, seine Form und Dauer variiert, kann man den Prozess optimieren, ohne ein reales Experiment durchführen zu müssen. Ebenso kann man mit atomistischen Simulationen studieren, wie sich metallische Leiterbahnen in einem Schaltkreis von ihrem isolierenden Untergrund lösen und damit zum Beispiel ein Handy unbrauchbar machen. Darüber hinaus wollen Forscher herausfinden, wie man optimal Nanodiamanten erzeugen und darin Stickstoffatome implantieren kann. Deren Leuchten macht einerseits die Nanodiamanten zu idealen Biomarkern. Andererseits erhofft man sich, die elektronischen Zustände der Implantate als Prozessoren für Quantencomputer nutzen zu können.
Bei den Partikel-Simulationen auf atomarer Skala, auch „Molekulardynamik“ genannt, wird der Weg eines jeden einzelnen Teilchens berechnet, den es unter den Einflüssen seiner Nachbarn und äußerer Kräfte durchläuft. Dazu ist es erforderlich, die Kraftgesetze, mit denen sich die Teilchen beeinflussen, so genau wie möglich zu erforschen. Mit der Molekulardynamik lassen sich aber nicht nur Festkörper, sondern insbesondere auch biologische Systeme studieren. Im SFB werden Struktur und Flexibilität von Proteinen in Lösungsmitteln simuliert und der Transport von Proteinen durch Zellmembrane. Ohne experimentellen Aufwand kann man die Folgen von Mutationen beobachten. Es ist geplant, biologische Reaktionsmechanismen zu untersuchen, wie etwa die Anbindung von Liganden an Enzyme. Derartige Prozesse führen zu Komplexen, welche Abstoßungsreaktionen bei Organtransplantationen verhindern oder durch Signalkaskaden die Krebsbildung stören.


Befüllen einer Schüssel mit einem Fluid-Freistrahl
Befüllen einer Schüssel mit einem Fluid-Freistrahl

Weitere Bereiche des SFB betrachten exotische Kristallstrukturen von Nanoteilchen oder größere Partikel, wie zum Beispiel Kohlenstoffteilchen, die sich in turbulenten Flammenströmungen zu Rußflecken zusammenbacken. Stärker anwendungsorientiert sind Studien des Abriebs in Maschinenteilen, die von Flüssigkeiten oder Gasen durchströmt werden, wie Pumpen oder Strahltriebwerke. Hier soll simuliert werden, wie Schwebeteilchen exponierte Stellen an den Maschinenteilen schädigen und wie man durch kluges Design den Abrieb minimieren kann. Mehrere Teilprojekte befassen sich mit Bruchvorgängen in körnigen Materialien wie etwa Hohlsteinen, zum Beispiel, wenn ein Schlagbohrer Partikel von Gestein oder Beton abmeißelt.


Analyse von Defektausbreitung in Nickel durch Extraktion von Versetzungen und Stapelfehlern
Analyse von Defektausbreitung in Nickel durch Extraktion von Versetzungen und Stapelfehlern

Klein + schnell = große Herausforderung
Bei den atomistischen Simulationen stellt sich das große Problem, dass die Atome unvorstellbar klein und ihre Bewegungen extrem schnell sind. In einen Würfel, dessen Kantenlänge ein Hundertstel einer Haaresbreite misst, passen eine Milliarde Atome. Man braucht also Höchstleistungsrechner in Form von Computer-Clustern mit Tausenden von Prozessoren, und auch hiermit kann man Realzeiten von nur einer Milliardstel Sekunde berechnen. Die Teilchenzahl und die Simulationszeiten zu steigern, ist das vorrangige Ziel des Sonderforschungsbereiches. Dazu bedarf es nicht nur neuer Hardware-Architekturen, sondern auch neuer Algorithmen, Programmierparadigmen und Speicherstrategien.
Bei den Rechnungen fallen riesige Datenmengen an, für deren Interpretation die Visualisierung unverzichtbar ist. Neben der Präsentation der Ergebnisse durch Einzelbilder oder Videosequenzen wird dabei die interaktive visuelle Analyse immer wichtiger. So kann man Atome im gasförmigen Bereich zwar als Kugeln darstellen, aber Millionen davon in einer großen Projektion zu drehen, erfordert neue Ansätze der Computergraphik. Zusätzlich müssen die sich aus den Partikeln ergebenden Grenzflächen zwischen flüssigen und festen Bereichen im Festkörper in geeigneter Weise gekennzeichnet werden. Insbesondere bei biologischen Systemen ist es erforderlich, zusammengehörige Einheiten, Hohlräume und Oberflächen durch abstrakte Formen hervorzuheben. Weitere Informationen über das physikalische System, zum Beispiel die Geschwindigkeiten der Teilchen, können durch Farbkodierungen eingebracht werden. Die Extraktion von Merkmalen extrem vieler Teilchen und ihre graphische Darstellung in Echtzeit ist eine große Herausforderung an die am SFB beteiligten Informatiker.
Der Sonderforschungsbereich mit Prof. Hans-Rainer Trebin als Sprecher und Prof. Thomas Ertl als Stellvertreter ist für diese Aufgaben gut aufgestellt. Beteiligt sind Wissenschaftler aus insgesamt fünf Fakultäten, darunter der Mathematik und Physik, der Informatik und der Energie-, Verfahrens- und Biotechnik sowie fakultätsübergreifende Einrichtungen wie das Höchstleistungsrechenzentrum und das Visualisierungszentrum der Universität. Ein großes Anliegen für den SFB ist die Nachwuchsförderung: Drei Junior-Professoren aus dem Exzellenzcluster SimTech und vier Postdoktoranden sind als Teilprojektleiter eingebunden.
Hans-Rainer Trebin/amg



Kontakt

Prof. Hans-Rainer Trebin
Institut für Theoretische und Angewandte Physik
Tel. 0711/685-65255
e-mail: trebin@itap.uni-stuttgart.de
http://www.sfb716.uni-stuttgart.de


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