SFB 716:  Dynamische Simulation von Systemen mit großen Teilchenzahlen

• Fachliche Zuordnung: Chemie ; Biologie ; Informatik, System- und Elektrotechnik ; Maschinenbau und Produktionstechnik ; Materialwissenschaft und Werkstofftechnik ; Mathematik ; Physik ; Wärmetechnik/Verfahrenstechnik
• Förderung: Förderung von 2007 bis 2018
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 17546514

• Erstellungsjahr: 2019

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Simulationen stellen ein ideales Werkzeug dar, um komplexe Fragestellungen zu den Grundlagen der kondensierten Materie, zu Materialeigenschaften und zu biochemischen oder verfahrenstechnischen Prozessen zu klären. Die meisten dieser Fragen sind gar nicht oder nur sehr aufwändig durch theoretische Beschreibungen oder Experimente zu beantworten. Simulationen bestimmter Modelle können auf vielerlei Skalen betrieben werden, je nachdem welches Problem gelöst werden soll. Im SFB 716 wurden verschiedenste Problemstellungen aus dem natur- und ingenieurwissenschaftlichen Umfeld der Universität Stuttgart mittels Teilchenmethoden untersucht, sowohl auf atomistischer Längenskala wie in Proteinen oder der DNS, aber auch auf der makroskopischen Millimeterskala, wie bei Bruchvorgängen in granularen Festkörpern oder der Partikelaggregation in turbulenten Strömungen. Ein großer Vorteil der Teilchensimulationen ist, dass die Lücke zwischen quantenmechanischen Ab-initio-Verfahren und vergröberten Kontinuumsmethoden ohne phänomenologische Annahmen geschlossen werden kann. Sie wurden daher erfolgreich in Multiskalen-Hybridrechnungen eingesetzt. Große Herausforderungen bestanden darin, genaue und effizient implementierbare Kraftfelder zu entwickeln, gut durchdachte Vergröberungen durchzuführen, neue Algorithmen zu entwickeln, Software für moderne Hardwarearchitekturen anzupassen und zu optimieren, und schließlich die enormen Datenmengen der Simulationsergebnisse durch geeignete Visualisierungsverfahren und Datenreduktionsmechanismen auszuwerten und verständlich aufzubereiten. Im Rahmen der Zusammenarbeit der Projektleiter und Bearbeiter, die aus sechs unterschiedlichen Fakultäten kamen, wurde ein weitreichendes Verständnis der physikochemischen Grundlagen sowie der anwendungsrelevanten Fragestellungen, aber auch viele neuen Lösungsstrategien entwickelt. Der SFB 716 hat sich in den letzten zwölf Jahren intensiv mit der Entwicklung, Optimierung und Validierung von Teilchensimulationsalgorithmen, Programmcodes, Visualisierungsmethoden und Kraftfeldern sowie der Übertragung der Ergebnisse auf experimentell zugängliche Systeme, und damit auf die Überprüfbarkeit der benutzten Modelle durch die Realität konzentriert. Hierzu wurden insbesondere die Simulationsprogrammpakete IMD, Pasimodo, ESPResSo, sowie das Visualisierungsframework MegaMol weiterentwickelt, aber auch Methoden in andere Softwareumgebungen integriert, validiert, und optimiert. Das Anwendungsspektrum der Methoden reichte dabei von der Agglomeration von Rußteilchen, Goldnanopartikeln, oder supramolekularen Komplexen, über das Festigkeitsverhalten von Kupferbasislegierungen, der Laserabtragung von Materialien, hin zu Proteinwechselwirkungen, der Sequenzierung von DNS in Nanoporen, oder Entfaltungspfaden von bestimmten DNS-Konformationen, um nur einige Beispiele zu nennen. Daneben wurden viele neuartige Algorithmen im HPC-Bereich entwickelt, und interaktive Visualisierungstechniken und Datenanalysen implementiert. Daneben hat der SFB 716 aber auch wesentlich zur Weiterentwicklung der Partikelmethoden im Exzellenzcluster SimTech beigetragen, sowie ebenfalls aktiv das Lehrangebot im Elite-Bachelor- und Masterstudiengang "Simulation Technology“ erweitert. Letztendlich haben SFB 716 Mitglieder dadurch auch einen Beitrag zum Erfolg des neuen Exzellenzclusters „Daten-integrierte Simulationswissenschaft“ geleistet.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• "Femtosecond laser ablation of aluminium," Applied Surface Science, vol. 255, pp. 9742-9744, 2009
  S. Sonntag, J. Roth, F. Gaehler and H.-R. Trebin
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2009.04.062)
• "Interactive visualization of molecular surface dynamics," IEEE transactions on visualization and computer graphics, vol. 15, pp. 1391-1398, 2009
  M. Krone, K. Bidmon and T. Ertl
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1109/TVCG.2009.157)
• "Implicit method for simulating electrohydrodynamics of polyelectrolytes," Physical review letters, vol. 105, p. 148301, 2010
  O. A. Hickey, C. Holm, J. L. Harden and G. W. Slater
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.105.148301)
• "Applying ICC* to DNA translocation. Effect of dielectric boundaries," Computer Physics Communications, vol. 182, pp. 33-35, 1 2011
  S. Kesselheim, M. Sega and C. Holm
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.cpc.2010.08.014)
• "Simulation of crack propagation in alumina with ab initio based polarizable force field," The Journal of chemical physics, vol. 136, p. 084707, 2012
  S. Hocker, P. Beck, S. Schmauder, J. Roth and H.-R. Trebin
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1063/1.3685900)
• "Visualization of electrostatic dipoles in molecular dynamics of metal oxides," IEEE Transactions on Visualization and Computer Graphics, vol. 18, pp. 2061-2068, 2012
  S. Grottel, P. Beck, C. Müller, G. Reina, J. Roth, H.-R. Trebin and T. Ertl
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1109/TVCG.2012.282)
• "A quadratically-converging nudged elastic band optimizer," Journal of chemical theory and computation, vol. 9, pp. 3498-3504, 2013
  M. U. Bohner, J. Meisner and J. Kästner
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1021/ct400323z)
• "Atomistic visualization of mesoscopic whole-cell simulations using raycasted instancing," in Computer Graphics Forum, vol.32, pp. 195-206, 2013
  M. Falk, M. Krone and T. Ertl
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1111/cgf.12197)
• "Fluorescent nanodiamonds derived from HPHT with a size of less than 10 nm," Diamond and Related Materials, vol. 37, pp. 80-86, 2013
  J.-P. Boudou, J. Tisler, R. Reuter, A. Thorel, P. A. Curmi, F. Jelezko and J. Wrachtrup
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.diamond.2013.05.006)
• "Optically controlled switching of the charge state of a single nitrogen-vacancy center in diamond at cryogenic temperatures," Physical review letters, vol. 110, p. 167402, 2013
  P. Siyushev, H. Pinto, M. Vörös, A. Gali, F. Jelezko and J. Wrachtrup
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1103/physrevlett.110.167402)
• "Tracer diffusion in a crowded cylindrical channel," Physical Review E, vol. 87, p. 062709, 2013
  R. Chakrabarti, S. Kesselheim, P. Košovan and C. Holm
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1103/PhysRevE.87.062709)
• "Mobility reversal of polyelectrolyte-grafted colloids in monovalent salt solutions," Physical review letters, vol. 113, p. 238301, 2014
  S. Raafatnia, O. A. Hickey and C. Holm
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.113.238301)
• "Modeling nanoparticle agglomeration using local interactions," Aerosol Science and Technology, vol. 48, pp. 842-852, 2014
  G. Inci, A. Arnold, A. Kronenburg and R. Weeber
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1080/02786826.2014.932942)
• "Molecular-sized fluorescent nanodiamonds," Nature nanotechnology, vol. 9, p. 54, 2014
  I. I. Vlasov, A. A. Shiryaev, T. Rendler, S. Steinert, S.-Y. Lee, D. Antonov, M. Vörös, F. Jelezko, A. V. Fisenko, L. F. Semjonova, J. Biskupek, U. Kaiser, O. Lebedev, I. Sildos, P. Hemmer, V. Konov, A. Gali and J. Wrachtrup
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1038/nnano.2013.255)
• "Origin of Current Blockades in Nanopore Translocation Experiments," Physical Review Letters, vol. 112, no. 1, p. 018101, 2014
  S. Kesselheim, W. Müller and C. Holm
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1103/physrevlett.112.018101)
• "Effective potentials between gold nano crystals-- functional dependence on temperature," Molecular Simulation, vol. 41, pp. 1153-1158, 2015
  G. Bauer, A. Lange, N. Gribova, C. Holm and J. Gross
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1080/08927022.2014.951521)
• "MD-Simulations on Metallic Alloys," in High Performance Computing in Science and Engineering ‘14, Springer, pp. 153-162, 2015
  M. Hummel, A.-P. Prskalo, P. Binkele and S. Schmauder
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1007/978-3-319-10810-0_11)
• "MegaMol—a prototyping framework for particlebased visualization," IEEE transactions on visualization and computer graphics, vol. 21, pp. 201-214, 2015
  S. Grottel, M. Krone, C. Müller, G. Reina and T. Ertl
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1109/TVCG.2014.2350479)
• "Peptides in the presence of aqueous ionic liquids: tunable co-solutes as denaturants or protectants?," Physical Chemistry Chemical Physics, vol. 17, pp. 26049- 26053, 2015
  V. Lesch, A. Heuer, V. A. Tatsis, C. Holm and J. Smiatek
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1039/C5CP03838C)
• "Threading DNA through nanopores for biosensing applications," Journal of physics: condensed Matter, vol. 27, p. 273101, 2015
  M. Fyta
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1088/0953-8984/27/27/273101)
• "Atomistic modeling of flexoelectricity in periclase," Physical Review B, vol. 93, p. 024105, 2016
  A. Chatzopoulos, P. Beck, J. Roth and H.-R. Trebin
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1103/PhysRevB.93.024105)
• "Binding of solvent molecules to a protein surface in binary mixtures follows a competitive langmuir model," Langmuir, vol. 32, pp. 8960-8968, 2016
  T. Kulschewski and J. Pleiss
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1021/acs.langmuir.6b02546)
• "Diamondoid-functionalized gold nanogaps as sensors for natural, mutated, and epigenetically modified DNA nucleotides," Nanoscale, vol. 8, pp. 10105-10112, 2016
  G. Sivaraman, R. G. Amorim, R. H. Scheicher and M. Fyta
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1039/c6nr00500d)
• "Laser ablation of Al--Ni alloys and multilayers," Applied Physics A, vol. 122, p. 500, 2016
  J. Roth, H.-R. Trebin, A. Kiselev and D.-M. Rapp
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1007/s00339-016-9754-y)
• "Open boundary conditions for ISPH and their application to micro-flow," Journal of Computational Physics, vol. 307, pp. 614-633, 2016
  M. Hirschler, P. Kunz, M. Huber, F. Hahn and U. Nieken
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.jcp.2015.12.024)
• "Synergistic substrate and oxygen activation in salicylate dioxygenase revealed by QM/MM simulations," Angewandte Chemie International Edition, vol. 55, pp. 1168-1172, 2016
  S. Roy and J. Kästner
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1002/anie.201506363)
• "Langevin dynamics simulation of transport and aggregation of soot nano-particles in turbulent flows," Flow, Turbulence and Combustion, vol. 98, pp. 1065-1085, 2017
  G. Inci, A. Kronenburg, R. Weeber and D. Pflüger
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1007/s10494-016-9797-3)
• "Molecular dynamics investigations of the strengthening of Al-Cu alloys during thermal ageing," Physical Mesomechanics, vol. 20, pp. 291-304, 2017
  W. Verestek, A.-P. Prskalo, M. Hummel, P. Binkele and S. Schmauder
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1134/S1029959917030055)
• "Molecular surface maps," IEEE transactions on visualization and computer graphics, vol. 23, pp. 701-710, 2017
  M. Krone, F. Frieß, K. Scharnowski, G. Reina, S. Fademrecht, T. Kulschewski, J. Pleiss and T. Ertl
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1109/TVCG.2016.2598824)
• "Tailoring spin defects in diamond by lattice charging," Nature Communications, vol. 8, p. 15409, 2017
  F. F. De Oliveira, D. Antonov, Y. Wang, P. Neumann, S. A. Momenzadeh, T. Häußermann, A. Pasquarelli, A. Denisenko and J. Wrachtrup
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1038/ncomms15409)
• "Three-body effects in triplets of capped gold nanocrystals," Molecular Physics, vol. 115, pp. 1031-1040, 2017
  G. Bauer, N. Gribova, A. Lange, C. Holm and J. Gross
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1080/00268976.2016.1213909)
• "Aqueous ionic liquids in comparison with standard co-solutes," Biophysical reviews, pp. 1-16, 2018
  E. A. Oprzeska-Zingrebe and J. Smiatek
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1007/s12551-018-0414-7)
• "Influence of compatible solute ectoine on distinct DNA structures: thermodynamic insights into molecular binding mechanisms and destabilization effects," Physical Chemistry Chemical Physics, vol. 20, pp. 25861-25874, 2018
  E. A. Oprzeska-Zingrebe, S. Meyer, A. Roloff, H.-J. Kunte and J. Smiatek
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1039/C8CP03543A)
• "Interpretation of cytochrome P450 monooxygenase kinetics by modeling of thermodynamic activity," Journal of inorganic biochemistry, vol. 183, pp. 172-178, 2018
  V. Ferrario, N. Hansen and J. Pleiss
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.jinorgbio.2018.02.016)
• "Modeling of pore formation in phase inversion processes: Model and numerical results," Journal of Membrane Science, vol. 564, pp. 820-831, 2018
  M. Hopp-Hirschler and U. Nieken
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.memsci.2018.07.085)
• "Precipitation strengthening in Cu--Ni--Si alloys modeled with ab initio based interatomic potentials," The Journal of chemical physics, vol. 149, p. 024701, 2018
  S. Hocker, H. Lipp, E. Eisfeld, S. Schmauder and J. Roth
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1063/1.5029887)
• "Thermodynamic Characterization of the Dimerization of an Anionic Perylene Bisimide Dye Using Molecular Simulation," The Journal of Physical Chemistry C, 2018
  J. Baz and N. Hansen
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1021/acs.jpcc.8b07400)
• "A particle localization algorithm on unstructured curvilinear polynomial meshes," Computer Physics Communications, vol. 235, pp. 63- 74, 2019
  P. Ortwein, S. M. Copplestone, C.-D. Munz, T. Binder, W. Reschke and S. Fasoulas
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.cpc.2018.09.024)
• "A Particle-in-Cell solver based on a high-order hybridizable discontinuous Galerkin spectral element method on unstructured curved meshes," Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering, vol. 349, pp. 149-166, 2019
  M. Pfeiffer, F. Hindenlang, T. Binder, S. M. Copplestone, C.-D. Munz and S. Fasoulas
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.cma.2019.02.014)
• "Thermophysical properties of glyceline–water mixtures investigated by molecular modelling," Phys. Chem. Chem. Phys., vol. 21, pp. 6467-647 , 2019
  J. Baz, C. Held, J. Pleiss and N. Hansen
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1039/c9cp00036d)