Eigenschaften von magnetischen Hybridmaterialien - ein mikroskopischer Simulationszugang

• Antragsteller: Professor Dr. Christian Holm
• Fachliche Zuordnung: Statistische Physik, Nichtlineare Dynamik, Komplexe Systeme, Weiche und fluide Materie, Biologische Physik ; Experimentelle und Theoretische Polymerphysik ; Strömungsmechanik ; Theoretische Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung von 2013 bis 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 238051079

Ziel des Projektes ist es, weiche magnetische Materialien mit Hilfe Partikel-basierter Simulationen zu untersuchen. In den bisherigen Förderperioden haben wir uns dabei auf die statischen Eigenschaften magnetischer Gele konzentriert. Unter Anderem haben wir Modelle entwickelt, welche die verschiedenen Mechanismen beleuchten, mittels derer sich ein magnetisches Gel in einem externen Magnetfeld verformt. Darüber hinaus haben wir das Zusammenspiel der räumlichen Konfiguration magnetischer Teilchen im Gel und der Form der Probe sowie den Einfluss der Struktur des Polymernetzwerks untersucht. Zahlreiche Experimente an weichen magnetischen Materialien nutzen jedoch zeitabhängige Stimuli, wie etwa magnetische Wechselfelder, um die Dynamik der Materialien zu untersuchen. Wir haben daher mit der Simulation dynamischer Prozesse in magnetischen Gelen begonnen. Insbesondere ging es um die Relaxationsprozesse, die in einem Gel durch das An- und Ausschalten eines Magnetfeldes ausgelöst werden. In der kommenden und letzten Förderperiode werden wir diese Anstrengungen fortsetzen. Zum einen untersuchen wir die Polymerstruktur magnetischer Gele, und wie diese Struktur die Verformung der Gele im Magnetfeld beeinflusst. Zum anderen werden wir unsere Arbeiten bezüglich zeitabhängiger Stimuli erweitern. Ein Fokus wird die zeitabhängige Verformung magnetischer Gele in Wechselfeldern sein. Diese ist von Bedeutung, um Materialien für Anwendung zu entwickeln, die auf oszillatorischer Aktuation basieren. Darüber hinaus werden wir uns der Mikrorheologie sphärischer und anisotroper Magnetteilchen in Polymerlösungen annehmen. Wir streben zum einen ein besseres Verständnis der Kopplung zwischen den Magnetteilchen und der Polymermatrix an, zum anderen wollen wir untersuchen, wie sich lokale Matrixeigenschaften durch die Antwort der eingebetteten Teilchen auf ein magnetisches Wechselfeld beeinflussen lassen. Dies steht in Beziehung zu experimentellen Arbeiten innerhalb des Schwerpunktprogrammes. Weiterhin werden wir ein Simulationsmodel entwickeln, welches ein PNIPAAM-Gel beschreibt, in das magnetische Hematitspindeln eingebunden sind. Zunächst geht es um die Kopplung zwischen Magnetteilchen und Polymer-Matrix, später auch um die Rheologie der Gele. Die Resultate sollen mit experimentellen Arbeiten innerhalb des Schwerpunktprogrammes verglichen werden. Schließlich werden wir numerische Daten zu Theorien erarbeiten, die in anderen Gruppen des Schwerpunktprogrammes genutzt und entwickelt werden. Ein Beispiel sind DFT-Berechnungen zu durch die Polymermatrix beeinflussten Wechselwirkungen magnetischer Teilchen.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 1681: Feldgesteuerte Partikel-Matrix-Wechselwirkungen: Erzeugung, skalenübergreifende Modellierung und Anwendung magnetischer Hybridmaterialien
• Mitverantwortlich: Dr. Rudolf Weeber