Difference between revisions of "Theses"

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(Bachelorarbeiten {{german}})
(Microswimmers in porous networks)
 
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If you are looking for topics for a PhD thesis, have a look at [[Open Positions]].
 
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== Diplom- und Masterarbeiten {{german}} ==
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== Masterarbeiten {{german}} ==
  
Diplom- und Masterarbeiten können bei uns in den Bereichen ''Statistische Physik'',
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''Theorie und Simulation poröser Medien'', ''Fraktionale Infinitesimalrechnung''
 
''Theorie und Simulation poröser Medien'', ''Fraktionale Infinitesimalrechnung''
 
''Simulation und Theorie weicher Materie'' durchgeführt werden.
 
''Simulation und Theorie weicher Materie'' durchgeführt werden.
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Dies umfasst insbesondere Nukleation, Ferrofluide, Hydrogele sowie Polymere und Biomoleküle. Desweiteren kann sich eine Arbeit aber auch stärker an der Entwicklung von Methoden, Algorithmen und der Simulationssoftware {{es}} orientieren.
 
Dies umfasst insbesondere Nukleation, Ferrofluide, Hydrogele sowie Polymere und Biomoleküle. Desweiteren kann sich eine Arbeit aber auch stärker an der Entwicklung von Methoden, Algorithmen und der Simulationssoftware {{es}} orientieren.
  
Wer Interesse daran hat, eine Master- oder Diplomarbeit am ICP zu schreiben, der kann [[Rudolf Hilfer]],[[Olaf Lenz]], [[Christian Holm]] oder [[Axel Arnold]] kontaktieren, um einen Überblick über die möglichen Themen zu bekommen. Bei Interesse an einem bestimmten der im folgenden genannten Themen kann er direkt einen der unten genannten Ansprechpartner kontaktieren.
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Wer Interesse daran hat, eine Masterarbeit am ICP zu schreiben, der kann [[Rudolf Hilfer]], [[Christian Holm]], [[Maria Fyta]], oder [[Jens Smiatek]] kontaktieren, um einen Überblick über die möglichen Themen zu bekommen. Bei Interesse an einem bestimmten der im folgenden genannten Themen kann er direkt einen der unten genannten Ansprechpartner kontaktieren.
  
 
Interessierte Studierende sollten über Grundlagen der statistischen Physik/Thermodynamik, des Umgangs mit UNIX-Systemen und der Programmierung in einer Skript- oder Programmiersprache verfügen. Grundlegende Kenntnisse von Simulationstechniken oder Numerik sind von Vorteil.
 
Interessierte Studierende sollten über Grundlagen der statistischen Physik/Thermodynamik, des Umgangs mit UNIX-Systemen und der Programmierung in einer Skript- oder Programmiersprache verfügen. Grundlegende Kenntnisse von Simulationstechniken oder Numerik sind von Vorteil.
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=== Theorien und numerische Methoden für poröse Medien ===
 
=== Theorien und numerische Methoden für poröse Medien ===
 
Ansprechpartner: [[Rudolf Hilfer]]
 
Ansprechpartner: [[Rudolf Hilfer]]
 
=== Portierung von langreichweitigen Elektrostatik-Lösern auf [[w:GPGPU|Grakfikprozessoren]] ===
 
Ansprechpartner: [[Axel Arnold]]
 
  
 
=== Fraktionale Ableitungen und dielektrische Relaxation ===
 
=== Fraktionale Ableitungen und dielektrische Relaxation ===
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=== Systemgrößenskalierung und Simulation von Phasenübergängen ===
 
=== Systemgrößenskalierung und Simulation von Phasenübergängen ===
 
Ansprechpartner: [[Rudolf Hilfer]]
 
Ansprechpartner: [[Rudolf Hilfer]]
 
=== [[wd:Phasendiagramm|Phasendiagramm]] von nicht zentrierten [[wd:Dipol|Dipol]]en ===
 
Ansprechpartner: [[Rudolf Weeber]]
 
 
=== Lösung der [[wd:Poisson-Boltzmann-Gleichung|Poisson-Boltzmann-Gleichung]] in beschränkten Geometrien ===
 
Ansprechpartner: [[Alexander Schlaich]]
 
 
=== [[wd:Ionenkanal|Ionenkanäle]] ===
 
Ansprechpartner: [[Stefan Kesselheim]]
 
  
 
=== Magnetische Gele ===
 
=== Magnetische Gele ===
Ansprechpartner: [[Rudolf Weeber]]
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Ansprechpartner: [[Rudolf Weeber]],[[Christian Holm]]
 
 
=== Gitteralgorithmen für Probleme der Elektrohydrodynamik (GPU und CPU) ===
 
Ansprechpartner: [[Axel Arnold]]
 
  
 
=== [[wd:Ionische Flüssigkeit|Ionische Flüssigkeiten]] ===
 
=== [[wd:Ionische Flüssigkeit|Ionische Flüssigkeiten]] ===
* Dielektrisches Spektrum von Modellfluiden, Ansprechpartner: [[Florian Dommert]]
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* Coarse-grained Modelle für ionische Flüssigkeiten, Ansprechpartner: [[Christian Holm]]
* Coarse-grained Modelle für ionische Flüssigkeiten, Ansprechpartner: [[Peter Košovan]]
 
  
 
=== Mikrostrukturbildung und Phasenverhalten von kolloidalen Janus-Teilchen ===
 
=== Mikrostrukturbildung und Phasenverhalten von kolloidalen Janus-Teilchen ===
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=== Implementierung, Verbesserung und Anwendung moderner Simulationsalgorithmen in der Software {{es}} ===
 
=== Implementierung, Verbesserung und Anwendung moderner Simulationsalgorithmen in der Software {{es}} ===
Ansprechpartner: [[Olaf Lenz]]
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Ansprechpartner: [[Florian Weik]]
 
 
=== Investigation of Turbulent Flow Influence on Nanoparticle Agglomeration ===
 
 
 
The aim of the project "Agglomeration of Nanosized Particles in Turbulent
 
Flows" is to investigate the nanoparticle agglomeration over a wide range of
 
scales due to Brownian motion and turbulent transport. Random movement
 
of particles in a quiescent fluid is simulated by solving Langevin Equation
 
using the Molecular Dynamics Simulation software {{es}}. A solution
 
procedure for Langevin Equation is implemented in {{es}} and involves
 
a random force field representing the effect of the collisions of the nanopar-
 
ticles with the molecules of the fluid and a viscous force proportional to the
 
particle’s velocity. To account for the effects of turbulent flow on particle
 
transport and characteristics of particle agglomeration, the fluid flow profile
 
is required to be coupled with the classical particle motion equation. The aim
 
of the M.Sc. thesis would be to focus on the dynamics of Brownian particles
 
exposed to shear flows and therefore to define new equations of motion for
 
particles combining the characteristics of deterministic, large scale fluid flow
 
and random motion. To this end, students should first familiarize themselves
 
with Langevin Equation and shear flow by means of parameter studies for
 
different flow fields, then develop algorithms for the simulation software
 
Espresso and perform 2D and 3D particle simulations to understand the
 
relative importance of turbulent and molecular transport and their influence
 
on particle structure.
 
 
 
Contact: [[Axel Arnold]] or<br>
 
Ms Gizem Inci (gizem.inci@itv.uni-stuttgart.de)<br>
 
Institute for Combustion Technology
 
  
 
=== Mehrphasenströmungen in porösen Medien ===
 
=== Mehrphasenströmungen in porösen Medien ===
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Ansprechpartner: [[Rudolf Hilfer]]
 
Ansprechpartner: [[Rudolf Hilfer]]
  
=== Computerbasierte statistische Untersuchung der Ausscheidungsbildung in Fe/Cu-Systemen ===
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<!--=== DNA Konformationen in eine Nanopore / DNA conformations in a nanopore  ===
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Ansprechpartner: [[Maria Fyta]]-->
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<!--=== Vergröbertes Potential für DNA / Coarse-grained potentials for DNA ===
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Ansprechpartner: [[Maria Fyta]]-->
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=== Biofunktionalisierte Kohlenstoff Nanostrukturen / Biofunctionalized carbon nanostructures ===
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Ansprechpartner: [[Maria Fyta]]
  
{{Download|Ausschreibung_Diplom_Master_IMWF_ICP.pdf|Ausschreibung}}
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=== Wechselwirkung von DNA und MoS2 / Interaction of DNA with MoS2 ===
 
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Ansprechpartner: [[Maria Fyta]]
Ansprechpartner: [[Kai Kratzer]], [http://www.imwf.uni-stuttgart.de/institut/ansprechpartner/ansprechpartner.html David Molnar]
 
  
=== Development/Benchmarking of a coarse-grained potential for DNA ===
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=== Dehnungseffekte auf Kohlenstoff Strukturen / Influence of strain on defective carbon nanostructures ===
 
Ansprechpartner: [[Maria Fyta]]
 
Ansprechpartner: [[Maria Fyta]]
  
== Bachelorarbeiten {{german}} ==
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=== Electrophoretically Driven Self-Propelled Colloidal Particles  ===
  
Die folgenden Themen von Bachelorarbeiten sind momentan am ICP zu vergeben. Wer gerne in unserem Bereich eine Bachelorarbeit schreiben möchte aber bei den folgenden Themen kein geeignetes Thema finden kann, der kann Kontakt mit [[Christian Holm]], [[Axel Arnold]] oder [[Olaf Lenz]] aufnehmen und nach weiteren Themen fragen.
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In this project you will investigate the fascinating non-equilibrium world of active colloids and model self-electrophoretically driven particles. The research into chemically driven active colloids has taken off in the last years, with over a 100 publications in the field per year, compared to only a few 5 years ago. Typically, the particles achieve self-propulsion by decomposing hydrogen peroxide into water and oxygen, thus harvesting chemical energy from their environment and converting this into forward motion. However, the exact mechanism by which the conversion into motion is achieved is still poorly understood. It is speculated that both diffusiophoresis and electrophoresis could play a role, and which of the two effects dominates depends on the materials used and the environmental conditions. In order to address these pressing questions, you will further develop the GPU-based description of diffusiophoretically driven self-propelled particles that is currently available in ESPResSo using C++ and CUDA programming. You will write code to study the self-electrophoretic mechanism and compare your results to those obtained in experimental systems. This is a challenging project and should only be considered by those who have a good understanding of programming and a keen interest in physics.  
  
Interessierte Studierende sollten über Grundlagen der statistischen Physik/Thermodynamik, des Umgangs mit UNIX-Systemen und der Programmierung in einer Skript- oder Programmiersprache verfügen. Grundlegende Kenntnisse von Simulationstechniken oder Numerik sind von Vorteil.
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Contact: [[Joost de Graaf]] or [[Christian Holm]]
  
=== Poisson-Boltzmann-Löser in beschränkten Geometrien ===
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=== Study of Multiphase Flows using Lattice Boltzmann Method ===
Die [[wd:Poisson-Boltzmann-Gleichung|Poisson-Boltzmann-Gleichung]] beschreibt die [[wd:Ion|Ionen]]verteilung um geladene Objekte. Sie wird standardmäßig in biomolekularen Simulationen, z.B. zur Berechnung von [[wd:freie Energie|freien Energien]] benutzt, sowie in der Simulation von geladener weicher Materie verwendet, wie beispielsweise von [[wd:Desoxyribonukleinsäure|DNS]]-Strängen oder ladungsstabilisierten [[wd:Kolloid|Kolloiden]]. In dieser Arbeit soll die PB-Gleichung mit Hilfe des PDE-Lösers des Softwarepaketes [http://www.dune-project.org/ Dune] mittels der [[wd:Finite-Elemente-Methode|Finite-Elemente-Methode]] gelöst werden. Die Ionenverteilungen verschiedener Modellgeometrien sollen untersucht und mit Hilfe expliziter [[wd:Molekulardynamik|Molekulardynamik]]-Simulationen im Softwarepaket {{ES}} überprüft werden.
 
  
Ansprechpartner: [[Alexander Schlaich]]
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Many of the flows in engineering applications are multiphase in nature, for example oil companies usually deal with simultaneous flow of oil and water. A detailed insight into the Physics of such flows is important for design of equipment. With the advent of advanced numerical methods and computational resources it has become possible to simulate behavior of such flows and predict their behavior in varied applications.
 +
Several numerical methods exist for the simulation of such flows; Lattice Boltzmann Method (LBM) is an alternative method to describe the behavior of fluids at mesoscale. The explicit nature of the LB scheme allows for an excellent scalability on massively parallel supercomputers and its mesoscale nature allows an efficient coupling with particles on a microscale.
 +
Within the Collaborative Research Center, SFB1313 of the German Research Foundation (DFG) we are studying transport of charged species in multiphase flows in highly confined geometries (porous media). The SFB involves researchers in various fields including Engineering, Physics and natural sciences to address some basic questions in fluid dynamics in porous media.
 +
The master thesis project will concern simulation of multiphase flows with transport of electrolytes in porous channels. The software package ESPResSo (www.espressomd.org) will be employed for the studies of the thesis and will require some implementation in C++ and Python. The package contains modules for electro kinetics and Shan-Chen model of multiphase flows. The studies are expected to provide insight into physical phenomena in porous media.
  
=== Parameterstudien zur Translokation von Biomolekülen durch Nanoporen ===
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Contact: [[Kartik Jain]] or [[Christian Holm]]
In den letzten Jahren ist es möglich geworden, künstliche Nanoporen als Sonden in der Welt einzelner Makromoleküle zu benutzen. Bei dem Transport dieser Moleküle durch die Pore spielen elektrostatische Wechselwirkungen eine große Rolle, weil fast alle Biomoleküle (z.B. [[wd:Desoxyribonukleinsäure|DNS]] stark geladen sind. In diesem Projekt soll die Rolle der elektrostatischen Wechselwirkung für diesen Prozess mit [[wd:Molekulardynamik|molekulardynamischen Simulationen]] untersucht werden, um so die wissenschaftliche Grundlage für ein genaues Verständnis dieses Prozesses zu legen. Nur wenn das System gut verstanden ist, kann es letztlich - wie man sich erhofft - zur schnellen Sequenzierung von DNS genutzt werden.  Das zugrundeliegende Softwarepaket wird {{ES}} sein.
 
  
Ansprechpartner: [[Stefan Kesselheim]]
 
  
=== Messung der dielektrischen Konstante in einer ionischen Flüssigkeit ===
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== Bachelorarbeiten {{german}} ==
Mit einem vereinfachten Modell von harten geladenen Kugeln soll im Rahmen einer [[wd:Molekulardynamik|Molekulardynamischen Simulation]] die [[wd:Dielektrizitätskonstante|statische dielektrische Konstante]] bestimmt werden, wie sie aus Messungen mittels [[wd:Dielektrische Spektroskopie|dielektrischer Spektroskopie]] bestimmt wird.
 
  
Ansprechpartner: [[Florian Dommert]] oder [[Axel Arnold]]
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Die folgenden Themen von Bachelorarbeiten sind momentan am ICP zu vergeben. Wer gerne in unserem Bereich eine Bachelorarbeit schreiben möchte aber bei den folgenden Themen kein geeignetes Thema finden kann, der kann Kontakt mit [[Christian Holm]], [[Rudolf Hilfer]], [[Maria Fyta]], oder [[Jens Smiatek]] aufnehmen und nach weiteren Themen fragen.
  
=== Phasenverhalten von dipolaren Flüssigkeiten ===
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Interessierte Studierende sollten über Grundlagen der statistischen Physik/Thermodynamik, des Umgangs mit UNIX-Systemen und der Programmierung in einer Skript- oder Programmiersprache verfügen. Grundlegende Kenntnisse von Simulationstechniken oder Numerik sind von Vorteil.
Dipolare Flüssigkeiten können sowohl aus magnetischen Dipolen wie auch aus elektrischen Dipolen bestehen. Im ersten Fall spricht man von magnetischen Flüssigkeiten (Ferrofluide), im letzteren kann es sich auch um einfaches Wasser handeln. Dipolare Systeme haben eine anisotrope Wechselwirkung und ein komplizierteres Phasenverhalten als zum Beispiel ein System aus harten Kugeln. Ziel des Projektes ist es, das Phasendiagramm eines solchen Systems zu reproduzieren, und die sogenannte Ferroelektrische Phase zu quantifizieren. Die benötigten Algorithmen sind im Programmpaket {{ES}} implementiert, was auch benutzt werden soll.
 
  
Ansprechpartner: [[Rudolf Weeber]] oder [[Christian Holm]]
+
===  Electrophorese von Polyelektrolyten mittels eines elektrokinetischen Lösers auf Basis des Gitter-Boltzmann Algorithmus (LB) ===
  
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Beim Transport von geladenen Polymer wie  z.B. [[wd:Desoxyribonukleinsäure|DNS]] spielen elektrostatische Wechselwirkungen eine große Rolle. In diesem Projekt soll die sogenannte elektrophoretische Mobilität von Polyelektrolyten wie eventuell auch Kolloiden mit [[wd:Molekulardynamik|molekulardynamischen Simulationen]] unter Benutzung eines Gitteralgorithmus auf der Basis der Gitter-Boltzmann Methode untersucht werden, um so die wissenschaftliche Grundlage für ein genaues Verständnis dieses Prozesses zu legen.  Das zugrundeliegende Softwarepaket wird {{ES}} und eventuell waLBerla sein.
  
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Ansprechpartner: [[Christian Holm]] oder [[Florian Weik]]
  
=== Vergröberte Modelle von ionischen Flüssigkeiten ===
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=== Phasenverhalten von dipolaren Flüssigkeiten ===
 +
Dipolare Flüssigkeiten können sowohl aus magnetischen Dipolen wie auch aus elektrischen Dipolen bestehen. Im ersten Fall spricht man von magnetischen Flüssigkeiten (Ferrofluide), im letzteren kann es sich auch um einfaches Wasser handeln. Dipolare Systeme haben eine anisotrope Wechselwirkung und ein komplizierteres Phasenverhalten als zum Beispiel ein System aus harten Kugeln. Ziel des Projektes ist es, das Phasendiagramm eines solchen Systems zu reproduzieren, und die sogenannte Ferroelektrische Phase zu quantifizieren. Die benötigten Algorithmen sind im Programmpaket {{ES}} implementiert, was auch benutzt werden soll.
  
Es existiert eine Klasse von [[wd:Ionische Flüssigkeit|ionische Flüssigkeiten]] mit Schmelzpunkten unterhalb 100&deg;, deren Eigenschaften als Lösungsmittel großes Interesse weckt. Da viele der Mechanismen, die den Charakter der ionischen Flüssigkeiten ausmachen, noch nicht vollständig erklärt sind, können vergröberte Modelle diese Moleküle helfen, entscheidende Faktoren zu identifizieren, um ein besseres Verständnis dieser Lösungsmittel zu ermöglichen. Eine klassische [[wd:Molekulardynamik|Molekulardynamikstudie]] entsprechender Kugelmodelle von Kationen und Anionen soll dazu dienen existierende Modelle zu validieren und gegebenenfalls diese zu erweitern, um einen ersten Einblick in das Prinzip der Molekulardynamik-Simulation, des Coarse-grainings und dem weiten Feld der ionischen Flüssigkeiten zu erhalten.   
+
Ansprechpartner: [[Rudolf Weeber]] oder [[Christian Holm]]
  
Ansprechpartner: [[Florian Dommert]] oder [[Peter Košovan]]
+
<!--=== Wechselwirkung von DNA und Metalle ===
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Ansprechpartner: [[Maria Fyta]]
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=== Übertragbarkeit von klassischen ionischen Kraftfeldern ===
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Ansprechpartner: [[Maria Fyta]]-->
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=== Biofunktionalisierte Kohlenstoff Nanostrukturen ===
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Ansprechpartner: [[Maria Fyta]] oder [[Bibek Adhikari]]
  
=== Gitter-Boltzmann-Simulationen auf [[wd:GPGPU|Grafikprozessoren]] ===
+
=== Funktionalisierung/Dotierung von ultradünne MoS2 Schichten ===
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Ansprechpartner: [[Maria Fyta]] oder [[Ganesh Sivaraman]]
  
Grafikprozessoren (GPUs) sind bei geeigneten Algorithmen mehr als 10 mal so schnell wie ein vergleichbarer konventioneller Prozessor. Zu diesen Algorithmen zählt z.B. die [[wd:Lattice-Boltzmann-Methode|Gitter-Boltzmann-Methode]] für [[wd:Strömungsdynamik|Strömungsdynamik]]. Diese Methode wird in unserer Arbeitsgruppe eingesetzt, um klassische Teilchen mit [[wd:Hydrodynamik|hydrodynamischen]] Wechselwirkungen zu simulieren. Dabei läuft eine [[wd:Molekulardynamik|Molekulardynamik-Simulation]] in der Software {{ES}}, während die Strömungsdynamik auf einer GPU gerechnet wird. Im Rahmen einer Bachelorarbeit sollen Performancemessungen an unserem Code vorgenommen werden, sowie dieser für den Einsatz in Multi-GPU-Umgebungen fit gemacht werden. Ein anderes Thema in diesem Bereich ist die Implementation neuer Randbedingungen, um etwa Mikrokanäle zu simulieren.
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<!--=== Thermische Stabilität von defekten Nanostrukturen ===
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Ansprechpartner: [[Maria Fyta]]
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=== Elastische Eigenschaften von nicht idealen Nanostrukturen ===
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Ansprechpartner: [[Maria Fyta]]-->
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=== Vorhersage der Gleichgewichtsaufquellung eines Hydrogels in multivalenten Salzlösungen ===
  
Ansprechpartner: [[Axel Arnold]]
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Hydrogele sind Polymernetzwerke deren Volumen in Salzlösung enorm zunehmen kann. Das Schwellverhalten kann durch einige äußere Parameter beeinflusst werden. Dazu gehören der pH-Wert, Temperatur, Zusammensetzung der Salzlösung, Licht oder elektrische Felder. In dieser Bachelorarbeit soll das Schwellverhalten eines vergröberten Hydrogelmodells mit Hilfe von {{es}} untersucht werden.
  
=== Leistungsvergleich verschiedener Simulationssoftware ===
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Ansprechpartner: [[Christian Holm ]] oder [[Jonas Landsgesell]]
  
Am ICP wird die Simulationssoftware {{es}} entwickelt, mit derene Hilfe [[wd:Molekulardynamik|Molekulardynamik-Simulationen]] durchgeführt werden können.  Es existieren verschiedene andere Simulationssoftwarepakte (z.B. [[wd:GROMACS|GROMACS]] oder [http://lammps.sandia.gov/ Lammps]]). Im Rahmen der Bachelorarbeit sollen verschiedene Modellsysteme in den verschiedenen Simulationspaketen simuliert werden und Performancevergleiche zwischen den Paketen angestellt werden. Die Arbeit soll dabei helfen, Schwächen und Stärken der verschiedenen Pakete aufzudecken.
+
=== Untersuchung zur Entfaltung spezieller DNA Strukturen===
  
Ansprechpartner: [[Olaf Lenz]]
+
Ansprechpartner: [[Jens Smiatek]] oder [[Ewa Anna Oprzeska-Zingrebe]]
  
=== Leistungsvergleich verschiedener Algorithmen zur Coulomb-Wechselwirkung ===
+
=== Simulation von Puffer-Lösungen ===
  
Die Berechnung der [[wd:Coulombsches Gesetz|Coulomb-Wechselwirkung]] nimmt bei [[wd:Molekulardynamik|Molekulardynamik-Simulationen]] von geladenen Systemen einen beachtlichen Teil der Rechenzeit in Anspruch. Über viele Jahrzehnte wurden und werden neue Algorithmen zur Lösung dieses Problems entwickelt. Einige dieser Algorithmen sind im Programmpaket {{ES}} implementiert. Neben kurzem Einlesen in diese Methoden sollen vor allem Simulationen verschiedener Modellsysteme zum direkten Vergleich von Genauigkeit und Performance der Methoden durchgeführt werden. Die Ergebnisse sollen geeignet interpretiert und präsentiert werden.
+
Ansprechpartner: [[Jens Smiatek]] oder [[Julian Michalowsky]]
  
Ansprechpartner: [[Florian Fahrenberger]]
+
=== pH-induced reversal of phoretic propulsion ===
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[[w:Self-propelled_particles|Mikroschwimmer oder aktive Kolloide]] sind ein hochaktuelles und spannendes Thema in der Physik der weichen Materie.
 +
Es gibt zahlreiche [[w:Janus_particles|künstliche Realisierungen]] solcher Schwimmer, das natürliche Vorbild für diese sind jedoch stets Bakterien, die sich in Jahrmillionen der Evolution perfekt an ihre biologische Aufgabe angepasst haben.
 +
Verbesserungen des Verständnisses der Fortbewegung von Mikroschwimmern können beispielsweise dabei helfen, die Interaktion von Bakterien und Mikroorganismen mit ihrer Umgebung besser zu verstehen und künftig die Entwicklung von Mikromotoren und Methoden für den zielgerichteten Medikamententransport im menschlichen Körper ermöglichen.
 +
Ein bestimmter [https://doi.org/10.1002/adma.201701328 Schwimmer wurde in der Gruppe von Peer Fischer in Stuttgart] entwickelt: eine Silikatkugel wird auf einer Seite mit Titandioxid beschichtet und schwimmt in einer Wasserstoffperoxid-Lösung, wenn sie Ultraviolettstrahlung ausgesetzt ist.
 +
Dabei stellt sich heraus, dass die Bewegungsrichtung vom pH-Wert der Lösung abhängig ist.
  
=== Verbesserung des Ewald-Algorithmus für Elektrostatische Wechselwirkungen in {{es}} ===
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Im Rahmen einer Bachelorarbeit soll dieser Schwimmer mit Hilfe der [[w:Finite_element_method|Finite-Elemente-Methode]] modelliert werden und untersucht werden, durch welche Antriegseigenschaften die pH-Abhändigkeit zustande kommt. Dafür wird die Software [[w:COMSOL|COMSOL]] verwendet und die elektrokinetischen Gleichungen (Diffusion, Elektrostatik, Hydrodynamik) gelöst.
  
Eine Möglichkeit zur Berechnung der [[wd:Coulombsches Gesetz|Coulomb-Wechselwirkung]] in [[wd:Molekulardynamik|Molekulardynamik-Simulationen]] von geladenen Systemen ist die [[w:Ewald summation|Ewald-Summe]]. Obwohl der Algorithmus nicht die schnellste Möglichkeit dafür ist, so eignet sich der Algorithmus wegen seiner hohen Genauigkeit sehr gut zum Vergleich mit anderen, schnellerean aber ungenaueren Methoden. Die Simulationssoftware {{es}} enthält eine Implementation der Ewald-Summe, die bislang allerdings fehlerhaft ist und nur auf einem Prozessor lauffähig ist. Ziel der Bachelorarbeit wäre es, die Implementation der Ewald-Summe in {{es}} zu korrigieren und zu parallelisieren, damit effektive Vergleiche der Methode mit anderen Verfahren angestellt werden können.
+
Ansprechpartner: [[Christian Holm]], [[Michael Kuron]] or [[Patrick Kreissl]]
  
Ansprechpartner: [[Olaf Lenz]]
+
Weitere Literatur: <bibentry>elgeti15b</bibentry>
 
 
=== Verbesserung des Tuning-Algorithmus für P3M ===
 
 
 
Ein schneller Algorithmus zur Berechnung der [[wd:Coulombsches Gesetz|Coulomb-Wechselwirkung]] in [[wd:Molekulardynamik|Molekulardynamik-Simulationen]] von geladenen Systemen ist der P3M-Algorithmus, der in der Simulationssoftware {{es}} implementiert ist. Der Algorithmus hat zahlreiche Parameter, die seine Genauigkeit und Geschwindigkeit in unterschiedlichem Maße beeinflussen. Zur Wahl des besten Parametersatzes ("Tuning") für ein gegebenes System existiert ein einfacher heuristischer Algorithmus in {{es}}. Ziel der Bachelorarbeit wäre es, das Tuningverfahren zu verbessern. Dazu sollte sich der Studierende zunächst in den P3M-Algorithmus einarbeiten und anhand von Parameterstudien an einfachen Modellsystemen den Effekt der verschiedenen Parameter studieren, um dann den Tuning-Algorithmus gezielt zu verbessern.
 
 
 
Ansprechpartner: [[Olaf Lenz]]
 
 
 
=== Density-functional-theory simulations of Carbon nanostructures ===
 
 
 
Density-functional-theory based (DFT) simulations will be used to model carbon structures, such as diamondoids, carbon cages, etc. A check of the appropriate DFT functionals will be made and the electronic properties of these structures will be probed. One of the aims is to compare different parameters used in DFT to compare the obtained properties to those of the experiments and conclude on the appropriate method to be used.
 
 
 
Ansprechpartner: [[Maria Fyta]]
 

Latest revision as of 14:13, 19 December 2018

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Contents

Masterarbeiten germany.png

Masterarbeiten können bei uns in den Bereichen Statistische Physik, Theorie und Simulation poröser Medien, Fraktionale Infinitesimalrechnung Simulation und Theorie weicher Materie durchgeführt werden.

Dies umfasst insbesondere Nukleation, Ferrofluide, Hydrogele sowie Polymere und Biomoleküle. Desweiteren kann sich eine Arbeit aber auch stärker an der Entwicklung von Methoden, Algorithmen und der Simulationssoftware ESPResSo orientieren.

Wer Interesse daran hat, eine Masterarbeit am ICP zu schreiben, der kann Rudolf Hilfer, Christian Holm, Maria Fyta, oder Jens Smiatek kontaktieren, um einen Überblick über die möglichen Themen zu bekommen. Bei Interesse an einem bestimmten der im folgenden genannten Themen kann er direkt einen der unten genannten Ansprechpartner kontaktieren.

Interessierte Studierende sollten über Grundlagen der statistischen Physik/Thermodynamik, des Umgangs mit UNIX-Systemen und der Programmierung in einer Skript- oder Programmiersprache verfügen. Grundlegende Kenntnisse von Simulationstechniken oder Numerik sind von Vorteil.


Simulationen zur Leitfähigkeit von Polymerelektrolyten

Ansprechpartner: Christian Holm

Simulationen zur Meerwasserentsalzung mittels Hydrogelen

Ansprechpartner: Christian Holm

Theorien und numerische Methoden für poröse Medien

Ansprechpartner: Rudolf Hilfer

Fraktionale Ableitungen und dielektrische Relaxation

Ansprechpartner: Rudolf Hilfer

Systemgrößenskalierung und Simulation von Phasenübergängen

Ansprechpartner: Rudolf Hilfer

Magnetische Gele

Ansprechpartner: Rudolf Weeber,Christian Holm

Ionische Flüssigkeiten

  • Coarse-grained Modelle für ionische Flüssigkeiten, Ansprechpartner: Christian Holm

Mikrostrukturbildung und Phasenverhalten von kolloidalen Janus-Teilchen

Ansprechpartner: Christian Holm

Implementierung, Verbesserung und Anwendung moderner Simulationsalgorithmen in der Software ESPResSo

Ansprechpartner: Florian Weik

Mehrphasenströmungen in porösen Medien

Ansprechpartner: Rudolf Hilfer

Dreidimensionale Bildverarbeitung

Ansprechpartner: Rudolf Hilfer

Biofunktionalisierte Kohlenstoff Nanostrukturen / Biofunctionalized carbon nanostructures

Ansprechpartner: Maria Fyta

Wechselwirkung von DNA und MoS2 / Interaction of DNA with MoS2

Ansprechpartner: Maria Fyta

Dehnungseffekte auf Kohlenstoff Strukturen / Influence of strain on defective carbon nanostructures

Ansprechpartner: Maria Fyta

Electrophoretically Driven Self-Propelled Colloidal Particles

In this project you will investigate the fascinating non-equilibrium world of active colloids and model self-electrophoretically driven particles. The research into chemically driven active colloids has taken off in the last years, with over a 100 publications in the field per year, compared to only a few 5 years ago. Typically, the particles achieve self-propulsion by decomposing hydrogen peroxide into water and oxygen, thus harvesting chemical energy from their environment and converting this into forward motion. However, the exact mechanism by which the conversion into motion is achieved is still poorly understood. It is speculated that both diffusiophoresis and electrophoresis could play a role, and which of the two effects dominates depends on the materials used and the environmental conditions. In order to address these pressing questions, you will further develop the GPU-based description of diffusiophoretically driven self-propelled particles that is currently available in ESPResSo using C++ and CUDA programming. You will write code to study the self-electrophoretic mechanism and compare your results to those obtained in experimental systems. This is a challenging project and should only be considered by those who have a good understanding of programming and a keen interest in physics.

Contact: Joost de Graaf or Christian Holm

Study of Multiphase Flows using Lattice Boltzmann Method

Many of the flows in engineering applications are multiphase in nature, for example oil companies usually deal with simultaneous flow of oil and water. A detailed insight into the Physics of such flows is important for design of equipment. With the advent of advanced numerical methods and computational resources it has become possible to simulate behavior of such flows and predict their behavior in varied applications. Several numerical methods exist for the simulation of such flows; Lattice Boltzmann Method (LBM) is an alternative method to describe the behavior of fluids at mesoscale. The explicit nature of the LB scheme allows for an excellent scalability on massively parallel supercomputers and its mesoscale nature allows an efficient coupling with particles on a microscale. Within the Collaborative Research Center, SFB1313 of the German Research Foundation (DFG) we are studying transport of charged species in multiphase flows in highly confined geometries (porous media). The SFB involves researchers in various fields including Engineering, Physics and natural sciences to address some basic questions in fluid dynamics in porous media. The master thesis project will concern simulation of multiphase flows with transport of electrolytes in porous channels. The software package ESPResSo (www.espressomd.org) will be employed for the studies of the thesis and will require some implementation in C++ and Python. The package contains modules for electro kinetics and Shan-Chen model of multiphase flows. The studies are expected to provide insight into physical phenomena in porous media.

Contact: Kartik Jain or Christian Holm


Bachelorarbeiten germany.png

Die folgenden Themen von Bachelorarbeiten sind momentan am ICP zu vergeben. Wer gerne in unserem Bereich eine Bachelorarbeit schreiben möchte aber bei den folgenden Themen kein geeignetes Thema finden kann, der kann Kontakt mit Christian Holm, Rudolf Hilfer, Maria Fyta, oder Jens Smiatek aufnehmen und nach weiteren Themen fragen.

Interessierte Studierende sollten über Grundlagen der statistischen Physik/Thermodynamik, des Umgangs mit UNIX-Systemen und der Programmierung in einer Skript- oder Programmiersprache verfügen. Grundlegende Kenntnisse von Simulationstechniken oder Numerik sind von Vorteil.

Electrophorese von Polyelektrolyten mittels eines elektrokinetischen Lösers auf Basis des Gitter-Boltzmann Algorithmus (LB)

Beim Transport von geladenen Polymer wie z.B. DNS spielen elektrostatische Wechselwirkungen eine große Rolle. In diesem Projekt soll die sogenannte elektrophoretische Mobilität von Polyelektrolyten wie eventuell auch Kolloiden mit molekulardynamischen Simulationen unter Benutzung eines Gitteralgorithmus auf der Basis der Gitter-Boltzmann Methode untersucht werden, um so die wissenschaftliche Grundlage für ein genaues Verständnis dieses Prozesses zu legen. Das zugrundeliegende Softwarepaket wird ESPResSo und eventuell waLBerla sein.

Ansprechpartner: Christian Holm oder Florian Weik

Phasenverhalten von dipolaren Flüssigkeiten

Dipolare Flüssigkeiten können sowohl aus magnetischen Dipolen wie auch aus elektrischen Dipolen bestehen. Im ersten Fall spricht man von magnetischen Flüssigkeiten (Ferrofluide), im letzteren kann es sich auch um einfaches Wasser handeln. Dipolare Systeme haben eine anisotrope Wechselwirkung und ein komplizierteres Phasenverhalten als zum Beispiel ein System aus harten Kugeln. Ziel des Projektes ist es, das Phasendiagramm eines solchen Systems zu reproduzieren, und die sogenannte Ferroelektrische Phase zu quantifizieren. Die benötigten Algorithmen sind im Programmpaket ESPResSo implementiert, was auch benutzt werden soll.

Ansprechpartner: Rudolf Weeber oder Christian Holm

Biofunktionalisierte Kohlenstoff Nanostrukturen

Ansprechpartner: Maria Fyta oder Bibek Adhikari

Funktionalisierung/Dotierung von ultradünne MoS2 Schichten

Ansprechpartner: Maria Fyta oder Ganesh Sivaraman

Vorhersage der Gleichgewichtsaufquellung eines Hydrogels in multivalenten Salzlösungen

Hydrogele sind Polymernetzwerke deren Volumen in Salzlösung enorm zunehmen kann. Das Schwellverhalten kann durch einige äußere Parameter beeinflusst werden. Dazu gehören der pH-Wert, Temperatur, Zusammensetzung der Salzlösung, Licht oder elektrische Felder. In dieser Bachelorarbeit soll das Schwellverhalten eines vergröberten Hydrogelmodells mit Hilfe von ESPResSo untersucht werden.

Ansprechpartner: Christian Holm oder Jonas Landsgesell

Untersuchung zur Entfaltung spezieller DNA Strukturen

Ansprechpartner: Jens Smiatek oder Ewa Anna Oprzeska-Zingrebe

Simulation von Puffer-Lösungen

Ansprechpartner: Jens Smiatek oder Julian Michalowsky

pH-induced reversal of phoretic propulsion

Mikroschwimmer oder aktive Kolloide sind ein hochaktuelles und spannendes Thema in der Physik der weichen Materie. Es gibt zahlreiche künstliche Realisierungen solcher Schwimmer, das natürliche Vorbild für diese sind jedoch stets Bakterien, die sich in Jahrmillionen der Evolution perfekt an ihre biologische Aufgabe angepasst haben. Verbesserungen des Verständnisses der Fortbewegung von Mikroschwimmern können beispielsweise dabei helfen, die Interaktion von Bakterien und Mikroorganismen mit ihrer Umgebung besser zu verstehen und künftig die Entwicklung von Mikromotoren und Methoden für den zielgerichteten Medikamententransport im menschlichen Körper ermöglichen. Ein bestimmter Schwimmer wurde in der Gruppe von Peer Fischer in Stuttgart entwickelt: eine Silikatkugel wird auf einer Seite mit Titandioxid beschichtet und schwimmt in einer Wasserstoffperoxid-Lösung, wenn sie Ultraviolettstrahlung ausgesetzt ist. Dabei stellt sich heraus, dass die Bewegungsrichtung vom pH-Wert der Lösung abhängig ist.

Im Rahmen einer Bachelorarbeit soll dieser Schwimmer mit Hilfe der Finite-Elemente-Methode modelliert werden und untersucht werden, durch welche Antriegseigenschaften die pH-Abhändigkeit zustande kommt. Dafür wird die Software COMSOL verwendet und die elektrokinetischen Gleichungen (Diffusion, Elektrostatik, Hydrodynamik) gelöst.

Ansprechpartner: Christian Holm, Michael Kuron or Patrick Kreissl

Weitere Literatur: