Phononen untersucht mit Liniengruppen von Nanomaterialien

Durch die präzise Steuerung der Anordnung von Atomen ist eine nahezu unendliche Vielfalt an Strukturen mit Größen unter einem Zehntel eines Tausendstel Millimeters vorstellbar. Solche Nanostrukturen kommen überall in der Natur vor. Zum Beispiel spielen lange Filamente mit sehr dünnen Durchmessern eine wichtige Rolle in der Biologie: Sie geben unseren Zellen ihre Struktur und Form, erleichtern die Bewegung verschiedener Bestandteile der Zelle und ermöglichen vielen Mikroorganismen überhaupt erst, sich zu bewegen. Ähnliche dünne, aber lange Nanostrukturen (Nanodrähte, Nanoröhren) können künstlich hergestellt werden und haben das Potential, den technologischen Fortschritt massive voranzutreiben. Beispielsweise können neue widerstandsfähigere Materialien, bessere Wasserfilter oder kleinere, schnellere Elektronikbauteile entwickelt werden. Um diesen Fortschritt zu erreichen, sind Werkzeuge notwendig, mit denen die Eigenschaften solcher Materialien berechnet werden können. Damit wird es möglich, das Design dieser Nanomaterialien zu unterstützen und anzuleiten. Die Kombination aus langen und kurzen Dimensionen in den erwähnten Strukturen (beispielsweise sind Nanoröhren im Verhältnis zu ihren winzigen Durchmessern sehr lang) stellt ein Problem für viele oft verwendete Werkzeuge der computergestützten Materialwissenschaft dar. Diese Werkzeuge funktionieren für Systeme am besten, die in allen Raumrichtungen entweder groß oder klein sind. Es gibt zwar Lösungen, um diese Limitierungen zu umgehen, allerdings müssen sie fallweise angepasst werden, machen bedeutende Kompromisse hinsichtlich der Rechenzeit notwendig und führen zu unrealistischen Artefakten in den Ergebnissen. Ziel dieses Projekts ist es, ein Software-Framework zu entwickeln, mit dem mithilfe von computergestützter Materialwissenschaft die Wärmeausbreitung in röhren- und drahtähnliche Nanostrukturen untersucht werden kann. Wärmeleitung als Forschungsthema wurde gewählt, da Arbeitstemperaturen und Wärmeableitung die Leistung und Zuverlässigkeit dieser Nanostrukturen stark beeinflussen, wenn sie in Elektronik- und Energiegewinnungsanwendungen verwendet werden. Der rote Faden des Projekts wird die Symmetrie sein, d. h. wiederkehrende geometrische Muster, die es ermöglichen, nicht das ganze System zu untersuchen, sondern lediglich einen kleinen Baustein, der sich ständig wiederholt. Schrittweise wird die Komplexität der Strukturen erhöht - zu Beginn werden reine Nanostrukturen aus einem einzigen Element untersucht und später werden dann Defekte, Grenzflächen und andere Quellen von Unordnung eingeführt. Die Erkenntnisse dieser Studie werden auf atomarer Ebene ein besseres Verständnis über das Design von "maßgeschneiderten" Nanodrähten und -röhren schaffen. Außerdem wird das grundlegende Software-Framework der wissenschaftlichen Gemeinschaft als Open-Source-Software zur Verfügung gestellt und soll weiterführende Anwendungen finden, die weit über den Wärmetransport hinausgehen.