Nukleation und Wachstum in kleinen Systemen

Durch ihre einzigartigen Eigenschaften eignen sich Nanopartikel als Bausteine für neuartige Materialien mit außergewöhnlichen Eigenschaften und Funktionen und bilden damit die Grundlage für die moderne Nanotechnologie. Während der letzten Jahrzehnte hat sich dieses Arbeitsgebiet rasant entwickelt und heutzutage werden Nanopartikel in zahlreichen Anwendungen eingesetzt, welche von der Photovoltaik zur Elektronik und Biotechnologie reichen. Nanopartikel sind jedoch nicht nur aus technologischer Sicht interessant, sondern bieten auch die Möglichkeit fundamentale Prozesse, welche in kondensierter Materie ablaufen, im Detail zu untersuchen. Beispielsweise wurden Metall- und Halbleiternanokristalle verwendet, um die Thermodynamik und Kinetik von Phasenübergängen zu analysieren. Dabei wurde entdeckt, dass sowohl die Größe als auch die Form der Nanokristalle einen starken Einfluss auf die Phasenstabilität und den Übergangsmechanismus haben. Obwohl experimentelle Untersuchungen solcher Systeme wichtige Erkenntnisse über die Physik von Phasenübergängen geliefert haben, besitzen die verfügbaren Verfahren nicht die Orts- und Zeitauflösung, welche für eine tiefes Verständnis und letztlich die Kontrolle von Übergangsprozessen auf atomarer Ebene notwendig sind. In diesem Projekt werden wir daher modernde Methoden der Computersimulation weiterentwickeln und anwenden, um Phasenübergänge in Nanopartikeln zu untersuchen. Dabei werden wir uns hauptsächlich auf einen temperaturgetriebenen strukturellen Übergang in Kupfer-Sulfid Nanokristallen konzentrieren, da dieses System von unseren Kooperationspartnern an der Universität von Kalifornien in Berkeley kürzlich experimentell ausgiebig untersucht wurde. Um die numerisch sehr anspruchsvollen Simulationen durchzuführen, werden wir neue Algorithmen zur Simulation seltener Ereignisse sowie neuronale Netze zur Berechnung von atomaren Kräften und Energien und zur lokalen Strukturerkennung entwickeln. Die Ergebnisse dieser Simulationen werden die Interpretation der experimentellen Ergebnisse ermöglichen und somit wichtige Erkenntnisse über die Auswirkung kleiner Systemgrößen auf die Kinetik und insbesondere der Mechanismus von Nukleations- und Wachstumsvorgängen in Nanopartikeln bringen. Dieses Wissen bildet die Voraussetzug für eine kontrollierte Stabilisierung von metastabilen Strukturen und könnte den Weg öffnen für die Herstellung nanoskaliger Bausteine für Materialen mit neuen Phasen und Eigenschaften.

Aus unserer alltäglichen Erfahrung wissen wir, dass Wasser gefriert, wenn wir es unter den Gefrierpunkt kühlen. Diese Zustandsänderung, man spricht von einem sogenannten Phasenübergang, geschieht nicht graduell sondern plötzlich: ist Wasser bei etwas über Null Grad Celsius noch flüssig, bildet es knapp darunter schon festes Eis. Die Ursache für die drastische Änderung der Eigenschaften liegt im mikroskopischen Aufbau der flüssigen und festen Phase. Während sich in der Flüssigkeit Moleküle ungeordnet und frei bewegen, sind sie im Festkörper in einem regelmäßigen Muster angeordnet, welches sich auch in der symmetrischen Form von Schneekristallen äußert. Was sind nun die Kräfte, welche zu dieser Ordnung führen und wie ordnen sich die Moleküle während des Phasenübergangs? Um diese und ähnliche Fragen zu beantworten, haben wir in diesem Projekt Simulationsalgorithmen entwickelt, die detaillierte Einsichten in die mikroskopischen Mechanismen von Phasenübergängen ermöglichen. Rechnerisch ist die Simulation von Phasenübergängen aus mehreren Gründen eine große Herausforderung. Wie schon seit Fahrenheits Zeiten bekannt, kann man Wasser unter Null Grad Celsius kühlen ohne dass es gefriert. Dieser unterkühlte Zustand lässt sich nahezu beliebig lange aufrechterhalten. Nur wenn sich durch Zufall oder eine äußere Einwirkung ein mikroskopisch kleiner Eiskristall bildet, beginnt die Kristallisierung und das Wasser gefriert. Die daraus resultierenden langen Wartezeiten stellen für die Computersimulation solcher Prozesse eine große Hürde dar. Eine weitere Schwierigkeit besteht darin, in den Anfangsstadien des Phasenüberganges den sich bildenden Keim zu erkennen und zeitlich zu verfolgen. In diesem Projekt haben wir mehrere Simulationsalgorithmen entwickelt bzw. verbessert, die genau diese Probleme lösen. Mit Hilfe dieser Methoden haben wir auf Hochleistungsrechnern Simulationen durchgeführt, mit denen wir die Auswirkung von kleinen Keimen auf den Phasenübergang untersucht haben. Es hat sich dabei gezeigt, dass sowohl die Größe als auch die mikroskopische Struktur der Keime eine wichtige Rolle spielen. In einer weiteren Simulationsstudie haben wir die Bildung von Dampfblasen in Wasser bei negativem Druck beobachtet. Dieses sogenannte Phänomen der Kavitation spielt sowohl in der Natur als auch in der Technologie eine wichtige Rolle, wo es an Schiffspropellern und Turbinenschaufeln unerwünschte Materialschäden hervorrufen kann. Anhand aufwändiger Simulationen haben wir nun eine Theorie entwickelt, welche es erlaubt, die Häufigkeit der Kavitation in Abhängigkeit der äußeren Bedingungen exakt vorher zu sagen. Aufbauend auf den in diesem Projekt erzielten Fortschritte, werden wir in zukünftigen Studien heterogene Nukleation untersuchen, bei welcher der Keimbildungsprozess durch Verunreinigungen oder Oberflächen beschleunigt wird.