Difference between revisions of "Theses"

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(Gitter-Boltzmann-Simulationen auf Grafikprozessoren)
(Microswimmers in porous networks)
 
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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]],[[Christian Holm]]
 
 
=== Lösung der [[wd:Poisson-Boltzmann-Gleichung|Poisson-Boltzmann-Gleichung]] in beschränkten Geometrien ===
 
Ansprechpartner: [[Christian Holm]]
 
 
=== [[wd:Ionenkanal|Ionenkanäle]] ===
 
Ansprechpartner: [[Christian Holm]]
 
  
 
=== Magnetische Gele ===
 
=== Magnetische Gele ===
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=== [[wd:Ionische Flüssigkeit|Ionische Flüssigkeiten]] ===
 
=== [[wd:Ionische Flüssigkeit|Ionische Flüssigkeiten]] ===
* Dielektrisches Spektrum von Modellfluiden, Ansprechpartner: [[Christian Holm]]
 
 
* Coarse-grained Modelle für ionische Flüssigkeiten, Ansprechpartner: [[Christian Holm]]
 
* Coarse-grained Modelle für ionische Flüssigkeiten, Ansprechpartner: [[Christian Holm]]
  
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Ansprechpartner: [[Rudolf Hilfer]]
 
Ansprechpartner: [[Rudolf Hilfer]]
  
=== Vergröbertes Potential für DNA ===
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<!--=== DNA Konformationen in eine Nanopore / DNA conformations in a nanopore  ===
 
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Ansprechpartner: [[Maria Fyta]]-->
Ein neuartiges Potential dass DNA Prozesse modellieren kann würde entwickelt. Dieses Potential musst noch überprüft werden in Prozessen wie DNA Denaturierung oder DNA Dehnung.
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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 ===
 
Ansprechpartner: [[Maria Fyta]]
 
Ansprechpartner: [[Maria Fyta]]
  
=== Wechselwirkung von DNA und Elektroden ===
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=== Wechselwirkung von DNA und MoS2 / Interaction of DNA with MoS2 ===
 
 
Das Projekt is relevant mit dem Prozess von DNA Translokation durch Nanoporen für das Ablesen des Erbgutes. Zwei verschiedene Arten von Nanoporen werden untersucht:
 
* Grafen Elektroden
 
* Funktionalisierte Nanoporen
 
 
Ansprechpartner: [[Maria Fyta]]
 
Ansprechpartner: [[Maria Fyta]]
  
=== Fehlstellen in Diamant ===
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=== Dehnungseffekte auf Kohlenstoff Strukturen / Influence of strain on defective carbon nanostructures ===
 
 
Molekulardynamik und Dichtenfunktional Simulationen werden benutzt um die thermische Stabilität und die elektronischen Eigenschaften von Fehlstellen in diamantartigen Materialien zu untersuchen.
 
<!--A very well studied defect is the nitrogen-vacancy center in diamond, which has enormous potential to be used as a qubit. Along these lines, a search for similar defect centers will be made.-->
 
 
 
 
Ansprechpartner: [[Maria Fyta]]
 
Ansprechpartner: [[Maria Fyta]]
  
=== Elektronische Eigenschaften von dotierten Nanostrukturen ===
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=== Electrophoretically Driven Self-Propelled Colloidal Particles  ===
  
Quantenmechanische Simulationen werden durchgeführt um die elektronische Struktur von Kohlenstoff-basierte Materialien zu untersuchen. Diese können kleine Kohlenstoff Clusters sein, Diamantoiden, Fullerene, Nanoröhrchen und Kohlenstoff-Zwiebeln. Es wird quantitative gezeigt welcher der Einfluss der Dotierung auf die elektronische Eigenschaften ist.
+
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.  
  
Ansprechpartner: [[Maria Fyta]]
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Contact: [[Joost de Graaf]] or [[Christian Holm]]
 
 
=== Mechanismen der Wechselwirkung zwischen [[wd:Kompatible Solute|kompatiblen Soluten]] und Proteinen / Lipid-Membranen ===
 
Ansprechpartner: [[Jens Smiatek]]
 
 
 
=== Freie Energie Landschaften und Entfaltungspfade von speziellen [[wd:G-Quadruplex|DNA-Strukturen]] ===
 
Ansprechpartner: [[Jens Smiatek]]
 
  
=== Untersuchung der Auswirkungen der Beschränkung des Phasenraums auf die Faltung von Proteinen ===
+
=== Study of Multiphase Flows using Lattice Boltzmann Method  ===
Ansprechpartner: [[Jens Smiatek]]
 
  
=== Simulationen zur Auswirkung von hydrodynamischen und elektrostatischen Wechselwirkungen auf die Protein-Entfaltung  ===
+
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.
Ansprechpartner: [[Jens Smiatek]]
+
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.
  
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Contact: [[Kartik Jain]] or [[Christian Holm]]
  
=== 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]]
 
  
 
== Bachelorarbeiten {{german}} ==
 
== Bachelorarbeiten {{german}} ==
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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.
 
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.
  
=== Poisson-Boltzmann-Löser in beschränkten Geometrien ===
+
===  Electrophorese von Polyelektrolyten mittels eines elektrokinetischen Lösers auf Basis des Gitter-Boltzmann Algorithmus (LB) ===
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: [[Christian Holm]]
 
 
 
=== Parameterstudien zur Translokation von Biomolekülen durch Nanoporen ===
 
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: [[Christian Holm]]
+
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.
  
=== Messung der dielektrischen Konstante in einer ionischen Flüssigkeit ===
+
Ansprechpartner: [[Christian Holm]] oder [[Florian Weik]]
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: [[Christian Holm]]
 
  
 
=== Phasenverhalten von dipolaren Flüssigkeiten ===
 
=== Phasenverhalten von dipolaren Flüssigkeiten ===
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Ansprechpartner: [[Rudolf Weeber]] oder [[Christian Holm]]
 
Ansprechpartner: [[Rudolf Weeber]] oder [[Christian Holm]]
  
 
+
<!--=== Wechselwirkung von DNA und Metalle ===
 
 
=== Vergröberte Modelle von ionischen Flüssigkeiten ===
 
 
 
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: [[Christian Holm]] oder [[Konrad Breitsprecher]]
 
 
 
=== Mechanische Eigenschaften von DNA in Salzlösung ===
 
 
 
Die Steifigkeit der DNA für vershiedenen Längen wird gegenüber Salz Konzetration und Temperatur untersucht. Die Simulationen werden mittels Molekulardynamik mit elektrokinetischen Effekten und mit ein neuartiges Potential für die DNA durchgeführt.
 
 
 
 
Ansprechpartner: [[Maria Fyta]]
 
Ansprechpartner: [[Maria Fyta]]
 +
=== Übertragbarkeit von klassischen ionischen Kraftfeldern ===
 +
Ansprechpartner: [[Maria Fyta]]-->
 +
=== Biofunktionalisierte Kohlenstoff Nanostrukturen ===
 +
Ansprechpartner: [[Maria Fyta]] oder [[Bibek Adhikari]]
  
=== Transferierbarkeit von klassischen ionischen Kraftfeldern ===
+
=== Funktionalisierung/Dotierung von ultradünne MoS2 Schichten ===
 
+
Ansprechpartner: [[Maria Fyta]] oder [[Ganesh Sivaraman]]
Optimierte klassische ionische Kraftfelder sind wichtig für Molekulardynamik Simulationen, insbesondere wenn man biophysikalische Prozesse von Biomolekülen in Salz Lösung modellieren will. Dazu muss man sorgfältig die Transferierbarkeit von existierende ionischen Kraftfeldern für verschiedene Salze und Konzetrationen testen.
 
  
 +
<!--=== Thermische Stabilität von defekten Nanostrukturen ===
 
Ansprechpartner: [[Maria Fyta]]
 
Ansprechpartner: [[Maria Fyta]]
 
+
=== Elastische Eigenschaften von nicht idealen Nanostrukturen ===
=== Dotierung von Diamantoiden ===
 
 
 
Diamantoiden sind sehr kleine diamantartige Nanostrukturen die mit Wasserstoff Atomen terminiert sind. In diesem Projekt wird der Einfluss der Dotierung von Diamantoiden auf deren elektronischen und mechanischen Eigenschaften untersucht. Die Simulationen werden mittels quanten-mechanischen Methoden und Molekulardynamik (für die thermische Stabilität von diesen Materialien) durchgeführt.
 
<!--Diamondoids are a family of tiny hydrogen-terminated diamond clusters, which were discovered recently. The aim of this project is to examine how the electronic properties of the diamondoids will be changed, when these are doped. The simulations will be carried out with a density-functional-theory based methodology. Molecular Dynamics will be used to address the thermal stability of the doped diamondoids.-->
 
 
 
Ansprechpartner: [[Maria Fyta]]
 
 
 
<!--=== Coalescence of Carbon onions ===
 
 
 
Carbon onions are concentric fullerene structures and can be used in 3-D nanoarchitecture of novel materials. In this respect, the project will focus in ways to promote the coalescence of these structures. It will also be tested, whether dopant atoms will be essential in increasing the binding energy of adjacent carbon onions. The simulations will be carried out with Molecular Dynamics simulations. A quantum-mechanical approach can be used to calculate the electronic properties of the coalesced nanoparticles and compare these with the standing-alone carbon onions.
 
 
 
 
Ansprechpartner: [[Maria Fyta]]-->
 
Ansprechpartner: [[Maria Fyta]]-->
=== Helix-Struktur-Entstehung bei einem vergröberten Polymer unter Nicht-Gleichgewichtsbedingungen ===
 
 
Ansprechpartner: [[Jens Smiatek]]
 
 
=== Wechselwirkungen zwischen [[wd:Chaotrope Verbindung|kosmotropen / chaotropen Soluten]] und Proteinen ===
 
 
Ansprechpartner: [[Jens Smiatek]]
 
 
=== Untersuchung von Wassereigenschaften in Anwesenheit von [[wd:Hitzeschockproteine|Hitze/Kälte-Schock-Proteinen]] ===
 
 
Ansprechpartner: [[Jens Smiatek]]
 
 
=== Dichteabhängige Diffusion von geladenen Kolloiden während der Kristallbildung ===
 
 
Verschiedene Diffusionsprozesse spielen eine wichtige Rolle bei der Bildung von
 
Kolloidkristallen, da die Kristallisation ein Zusammenspiel von
 
Anordnung und Teilchentransport zur Kristalloberfläche darstellt. In dieser
 
Studie soll der Einfluss der Dichte auf die Diffusion von geladenen Kolloiden
 
untersucht werden. Dazu sollen als Ausgangspunkt die bekannten Gesetze für
 
harte Kugeln dienen und im weiteren die Dichteabhängigkeit der Diffusion und
 
der hydrodynamischen Wechselwirkungen im Falle von geladenen Kolloiden ermittelt
 
werden.
 
 
Ansprechpartner: [[Dominic Röhm]]
 
 
=== Einfluss laminarer Strömungen auf die Kristalllisationsgeschwindigkeit von Kolloidkristallen ===
 
 
Experimentielle Untersuchungen von Kolloidlösungen zeigen einen starken Einfluss der Thermalisierungart auf die Kristallisationsgeschwindigkeit auf. Innerhalb dieser Bachelorarbeit sollen die Kristallisationsgeschwindigkeiten nach Anlegen eines Scherflusses
 
ermittelt und mit den vorhandenen Daten der Kristallisation ohne Scherfluss verglichen werden.
 
 
Ansprechpartner: [[Dominic Röhm]]
 
 
=== DNA-Attraktion in multivalenten Elektrolyten ===
 
 
Die Anziehung negativ geladener DNA Fragmente in multivalenten Elektrolyten soll untersucht und experimentelle Ergebnisse reproduziert werden.
 
 
Ansprechpartner: [[Florian Weik]]
 
 
 
=== Vorhersage der Gleichgewichtsaufquellung eines Hydrogels in multivalenten Salzlösungen ===
 
=== 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 {{es}} untersucht werden.
 
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.
  
Ansprechpartner: [[Rudolf Weeber]]
+
Ansprechpartner: [[Christian Holm ]] oder [[Jonas Landsgesell]]
 
 
=== Superkondensatoren 1: Einfluss eines Überlapps der Ionenschichtungen ===
 
 
 
Bei Superkondensatoren kommen ionische Flüssigkeiten zum Einsatz. Wird der Kondensator geladen, so werden die Oberflächenladungen der Elektroden durch Anlagerung von Gegenionen der ionischen Flüssigkeit abgeschirmt. Dies führt zu einer Ausbildung des sogenannten Bulk Bereichs, in dem kein Feld mehr vorhanden ist. In dieser Bachelorarbeit soll ein extrem schmales Superkondensatorsystem untersucht werden, bei dem sich die angelagerten Schichten der gegenüberliegenden Elektroden überlappen und somit eine Ausbildung des Bulk Bereichs verhindert wird.
 
 
 
Ansprechpartner: [[Konrad Breitsprecher]]
 
 
 
=== Superkondensatoren 2: Ladungsdynamik von Kondensatoren mit verunreinigter ionischer Flüssigkeit ===
 
 
 
Ansprechpartner: [[Konrad Breitsprecher]]
 
 
 
=== Bewegung selbstgetriebener Kolloide durch eine inerte Flüssigkeit ===
 
 
 
Beschreibung des Verhaltens aktiver Teilchen in einer dichten Flüssigkeit mit Hilfe des Simulationspakets {{es}}.
 
 
 
Ansprechpartner: [[Joost de Graaf]]
 
 
 
=== Hydrodynamische Wechselwirkungen zwischen selbstgetriebenen stabförmigen und anders geformten Teilchen ===
 
  
Mit Hilfe einer MD Simulation soll die Bewegung von verschieden geformten aktiven Teilchen untersucht werden.
+
=== Untersuchung zur Entfaltung spezieller DNA Strukturen===
  
Anprechpartner: [[Joost de Graaf]]
+
Ansprechpartner: [[Jens Smiatek]] oder [[Ewa Anna Oprzeska-Zingrebe]]
  
=== Entwicklung eines vergröberten MARTINI-Kraftfelds ===
+
=== Simulation von Puffer-Lösungen ===
  
Ansprechpartner: [[Jens Smiatek]]
+
Ansprechpartner: [[Jens Smiatek]] oder [[Julian Michalowsky]]
  
=== Untersuchung der Wechselwirkung von Osmolyten und DNA ===
+
=== pH-induced reversal of phoretic propulsion ===
 +
[[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.
  
Ansprechpartner: [[Jens Smiatek]]
+
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.
  
=== Phasenverhalten von 2-D Kolloidlagen unter Wechselwirkung mit einem Laserpotential ===
+
Ansprechpartner: [[Christian Holm]], [[Michael Kuron]] or [[Patrick Kreissl]]
Am 2. Physikalischen Institut werden in der Gruppe von Prof. Bechinger zweidimensionale Kolloidsysteme untersucht, die mit einem periodischen/quasiperiodischen
 
Laserpotential wechselwirken. Mit dem Simulationspaket {{es}} sollen im Rahmen dieser Arbeit experimentelle Ergebnisse reproduziert werden, um eine tiefere Einsicht in das
 
Phasenverhalten dieser Systeme zu erlangen.
 
  
Ansprechpartner: [[Christian Holm]] und [[Kai Szuttor]]
+
Weitere Literatur: <bibentry>elgeti15b</bibentry>

Latest revision as of 14:13, 19 December 2018

If you are looking for topics for a PhD thesis, have a look at Open Positions.

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: