Difference between revisions of "Theses"

From ICPWiki
Jump to: navigation, search
(Microswimmers in porous networks)
 
(99 intermediate revisions by 15 users not shown)
Line 1: Line 1:
 
If you are looking for topics for a PhD thesis, have a look at [[Open Positions]].
 
If you are looking for topics for a PhD thesis, have a look at [[Open Positions]].
  
== Diplom- und Masterarbeiten ==
+
== Masterarbeiten {{german}} ==
  
Diplom- und Masterarbeiten können bei uns im Bereich ''Simulation und Theorie weicher Materie'' durchgeführt werden.
+
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 {{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.
  
Aktuelle Themen sind beispielsweise
+
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.
* [[wd:Phasendiagramm|Phasendiagramm]] von nicht zentrierten [[wd:Dipol|Dipol]]en ([[Rudolf Weeber]])
 
* Lösung der [[wd:Poisson-Boltzmann-Gleichung|Poisson-Boltzmann-Gleichung]] in beschränkten Geometrien ([[Alexander Schlaich]])
 
* [[wd:Ionenkanal|Ionenkanäle]] ([[Stefan Kesselheim]])
 
* Magnetische Gele ([[Rudolf Weeber]])
 
* Portierung von langreichweitigen Lösern für Hydrodynamik und Elektrostatik auf [[w:GPGPU|Grakfikprozessoren]] ([[Axel Arnold]])
 
* [[wd:Ionische Flüssigkeit|Ionische Flüssigkeiten]]:
 
** Dielektrisches Spektrum von Modellfluiden ([[Marcello Sega]])
 
** Coarse-grained Modelle für ionische Flüssigkeiten ([[Florian Dommert]])
 
* Gitteralgorithmen für Probleme der Elektrohydrodynamik (GPU und CPU)
 
* Janus-Teilchen
 
* Implementierung, Verbesserung und Anwendung moderner Simulationsalgorithmen in der Software {{es}} ([[Olaf Lenz]])
 
  
Wer Interesse daran hat, eine Master- oder Diplomarbeit in einem dieser Bereiche zu schreiben, der kann [[Olaf Lenz]], [[Christian Holm]] oder [[Axel Arnold]] kontaktieren, um einen Überblick über die möglichen Themen zu bekommen.  Bei Interesse an einem bestimmten der oben 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]]
 +
 
 +
=== [[wd:Ionische Flüssigkeit|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 {{es}} ===
 +
Ansprechpartner: [[Florian Weik]]
 +
 
 +
=== Mehrphasenströmungen in porösen Medien ===
 +
Ansprechpartner: [[Rudolf Hilfer]]
 +
 
 +
=== Dreidimensionale Bildverarbeitung ===
 +
Ansprechpartner: [[Rudolf Hilfer]]
  
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.
+
<!--===  DNA Konformationen in eine Nanopore / DNA conformations in a nanopore  ===
 +
Ansprechpartner: [[Maria Fyta]]-->
 +
<!--=== Vergröbertes Potential für DNA / Coarse-grained potentials for DNA ===
 +
Ansprechpartner: [[Maria Fyta]]-->
 +
=== Biofunktionalisierte Kohlenstoff Nanostrukturen / Biofunctionalized carbon nanostructures ===
 +
Ansprechpartner: [[Maria Fyta]]
  
== Bachelorarbeiten ==
+
=== Wechselwirkung von DNA und MoS2 / Interaction of DNA with MoS2 ===
 +
Ansprechpartner: [[Maria Fyta]]
  
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.
+
=== Dehnungseffekte auf Kohlenstoff Strukturen / Influence of strain on defective carbon nanostructures ===
 +
Ansprechpartner: [[Maria Fyta]]
  
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.
+
=== Electrophoretically Driven Self-Propelled Colloidal Particles  ===
  
=== Poisson-Boltzmann-Löser in beschränkten Geometrien  ===
+
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.  
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]]
+
Contact: [[Joost de Graaf]] or [[Christian Holm]]
  
=== Parameterstudien zur Translokation von Biomolekülen durch Nanoporen ===
+
=== Study of Multiphase Flows using Lattice Boltzmann Method  ===
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]]
+
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.
  
=== Messung der dielektrischen Konstante in einer ionischen Flüssigkeit ===
+
Contact: [[Kartik Jain]] or [[Christian Holm]]
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: [[Marcello Sega]] oder  [[Axel Arnold]]
 
  
=== Coarse-grained Modelle von ionischen Flüssigkeiten ===
+
== Bachelorarbeiten {{german}} ==
  
Es existiert eine Klasse von ionische Flüssigkeiten mit Schmelzpunkten unterhalb 100''&deg''
+
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.
  
Ansprechpartner: [[Florian Dommert]]
+
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.
  
=== Simulation ultrakalte Moleküle mit einem elektrischen Dipolmoment ===
+
=== Electrophorese von Polyelektrolyten mittels eines elektrokinetischen Lösers auf Basis des Gitter-Boltzmann Algorithmus (LB) ===
  
Ultrakalte Moleküle mit einem [[wd:Elektrisches Dipolmoment|elektrischen Dipolmoment]] lassen sich in einem [[wd:Optisches Gitter (Atomphysik)|optischen Gitter]] einfangen und durch ein elektrisches Feld ausrichten. Durch Manipulation des Gitters und des elektrischen Feldes lassen sich die Wechselwirkungen zwischen den Molekülen beeinflussen. In dieser Arbeit soll mit Hilfe von [[wd:Molekulardynamik|Molekulardynamik-Simulationen]] ein System untersucht werden, in dem mehrere Lagen stark dipolar  wechselwirkender Moleküle übereinander angeordnet sind. Ziel der Arbeit ist es, [[wd:Grundzustand|Grundzustand]]sstrukturen zu berechnen, sowie den Einfluß der [[wd:Thermische Energie|thermischen Bewegung]] auf die Grundzustandsstrukturen zu berechnen. Das System ist hierbei gerade noch im Bereich der klassischen Physik. Als Simulationssoftware wird {{es}} zum Einsatz kommen.  
+
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.
  
Ansprechpartner: [[Rudolf Weeber]]
+
Ansprechpartner: [[Christian Holm]] oder [[Florian Weik]]
  
=== Gitter-Boltzmann-Simulationen auf [[wd:GPGPU|Grafikprozessoren]] ===
+
=== 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.
  
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.
+
Ansprechpartner: [[Rudolf Weeber]] oder [[Christian Holm]]
  
Ansprechpartner: [[Axel Arnold]]
+
<!--=== Wechselwirkung von DNA und Metalle ===
 +
Ansprechpartner: [[Maria Fyta]]
 +
=== Übertragbarkeit von klassischen ionischen Kraftfeldern ===
 +
Ansprechpartner: [[Maria Fyta]]-->
 +
=== Biofunktionalisierte Kohlenstoff Nanostrukturen ===
 +
Ansprechpartner: [[Maria Fyta]] oder [[Bibek Adhikari]]
  
=== Leistungsvergleich verschiedener Simulationssoftware ===
+
=== Funktionalisierung/Dotierung von ultradünne MoS2 Schichten ===
 +
Ansprechpartner: [[Maria Fyta]] oder [[Ganesh Sivaraman]]
  
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.
+
<!--=== Thermische Stabilität von defekten Nanostrukturen ===
 +
Ansprechpartner: [[Maria Fyta]]
 +
=== Elastische Eigenschaften von nicht idealen Nanostrukturen ===
 +
Ansprechpartner: [[Maria Fyta]]-->
 +
=== Vorhersage der Gleichgewichtsaufquellung eines Hydrogels in multivalenten Salzlösungen ===
  
Ansprechpartner: [[Olaf Lenz]]
+
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 Algorithmen zur Coulomb-Wechselwirkung ===
+
Ansprechpartner: [[Christian Holm ]] oder [[Jonas Landsgesell]]
  
Die Berechnung der [[wd:Coulombsches Gesetz|Coulomb-Wechselwirkung]] nimmt bei [[wd:Molekulardynamik|Molekularsynamik-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.
+
=== Untersuchung zur Entfaltung spezieller DNA Strukturen===
  
Ansprechpartner: [[Florian Rühle]]
+
Ansprechpartner: [[Jens Smiatek]] oder [[Ewa Anna Oprzeska-Zingrebe]]
  
=== Verbesserung des Ewald-Algorithmus für Elektrostatische Wechselwirkungen in {{es}} ===
+
=== Simulation von Puffer-Lösungen ===
  
Eine Möglichkeit zur Berechnung der [[wd:Coulombsches Gesetz|Coulomb-Wechselwirkung]] in [[wd:Molekulardynamik|Molekularsynamik-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: [[Jens Smiatek]] oder [[Julian Michalowsky]]
  
Ansprechpartner: [[Olaf Lenz]]
+
=== 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.
  
=== Verbesserung des Tuning-Algorithmus für P3M ===
+
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.
  
Ein schneller Algorithmus zur Berechnung der [[wd:Coulombsches Gesetz|Coulomb-Wechselwirkung]] in [[wd:Molekulardynamik|Molekularsynamik-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: [[Christian Holm]], [[Michael Kuron]] or [[Patrick Kreissl]]
  
Ansprechpartner: [[Olaf Lenz]]
+
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: