Computersimulationen für Grenzflächenberechnungen verbessert
Forscher entdecken neuartige "Finite-Size-Korrekturen" bei Bestimmung von Grenzflächenspannungen
Computersimulationen spielen in der heutigen Zeit eine immer größere Rolle bei der Beschreibung und Entwicklung neuer Materialien. Aber trotz großer Fortschritte in der Computertechnik sind Simulationen in der statistischen Physik üblicherweise auf Systeme von wenigen 100.000 Teilchen beschränkt und damit um ein Vielfaches kleiner als typische Experimente. Wissenschaftler nutzen daher sogenannte "Finite-Size-Korrekturen", um aus vergleichsweise kleinen, simulierbaren Systemen makroskopische Größen korrekt zu bestimmen. Einem Team der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU) ist es nun gelungen, das Verständnis dieser Korrekturen bei der Bestimmung von Grenzflächenspannungen zu verbessern und damit wesentlich genauere Vorhersagen zu ermöglichen.
Unter Koexistenzbedingungen bilden Kristall (rot) und flüssige Phase (blau) Grenzflächen aus. Die gezeigte Simulationsbox enthält 3.660 Teilchen mit Hartkugelwechselwirkung. Durch periodische Randbedingungen und Finite-Size-Scaling (systematische Variation der Boxgröße) kann mittels Simulationen die Oberflächenspannung sehr genau bestimmt werden.
Fabian Schmitz, Institut für Physik, JGU
Die Grenzflächenspannung ist für viele Phänomene wie beispielsweise die Keimbildung von Wassertröpfchen in der Atmosphäre, die Kristallisation von Proteinen aus Lösungen oder das Wachstum und die Stabilität von Nanokristallen eine wichtige physikalische Kenngröße. Sie tritt zwischen verschiedenen Phasen eines Materials auf, also zwischen der festen, der flüssigen oder der gasförmigen Phase. Die Größe ist experimentell schwierig zu bestimmen und zudem fehlen oftmals auch verlässliche analytische Theorien. Deshalb ist es von großer Bedeutung, hierfür Computer-Simulationsmethoden zu entwickeln.
Fabian Schmitz, Dr. Peter Virnau und Univ.-Prof. em. Dr. Kurt Binder von der Arbeitsgruppe Physik der Kondensierten Materie (KOMET) des Instituts für Physik der JGU ist es durch den Einsatz einer neuartigen Simulationsmethode gelungen, die Natur der "Finite-Size-Korrekturen" bei der Bestimmung von Grenzflächenspannungen zu verstehen. Diese Arbeit, die erst durch den Einsatz von mehreren Millionen CPU-Stunden auf dem Mainzer Supercomputer MOGON ermöglicht wurde, wird in Zukunft dazu beitragen, Grenzflächenspannungen mit höchster Präzision in Simulationen zu bestimmen. Die Ergebnisse wurden im Fachmagazin Physical Review Letters veröffentlicht.
Hochleistungsrechnen gewinnt an der Johannes Gutenberg-Universität Mainz immer mehr an Bedeutung. Voraussichtlich ab dem ersten Quartal 2016 wird der geplante neue Hochleistungsrechner MOGON II das aktuelle System ersetzen. MOGON II soll unter den Top 100 der weltweit schnellsten Hochleistungsrechner rangieren.
Originalveröffentlichung
F. Schmitz, P. Virnau und K. Binder, Determination of the Origin and Magnitude of Logarithmic Finite-Size Effects on Interfacial Tension: Role of Interfacial Fluctuations and Domain Breathing, Physical Review Letters, 112, 125701, 26. März 2014
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