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Zugfestigkeit von Polymer

Organische Moleküle, also zum Beispiel Kunststoffe oder Biopolymere halten teilweise enorme Zugkräfte aus. Im gezeigten Beispiel einer Graphen-Nanoflocke, welche in der Simulation auf ihre Zugfestigkeit geprüft wurde, ist diese mehr als 250 Mal grösser als bei Stahl!

Diese starke Eigenschaft soll in einem Verbundwerkstoff (Komposit) genutzt werden, um dessen Eigenschaften gegenüber dem reinen Material zu verändern.
Die Stärke des Moleküls ist auf die chemische Bindung zurückzuführen. Materialrisse passieren üblicherweise nicht in den Molekülen, sondern zwischen den Molekülen. Auch die zwischenmolekularen Kräfte sind deshalb in den Modellen berücksichtigt. Somit ist es möglich, auch Polymere und ihre Komposite auf die Zugfestigkeit virtuell zu prüfen, ohne die makroskopischen Materialeigenschaften dafür zu benötigen.

Materialeigenschaften bestimmen lassen

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Dichte in [kg/m3]
Viskosität (Scherviskosität) in [N·s/m2]
Wärmekapazität in [kJ/mol/K]
Wärmeleitfähigkeit (Annahme: isotrop) in [kJ/m/K/s]
Diffusionskoeffizient in [cm2/s]
Kompressibilität (isotherm) in [kJ/mol/l]
Elastizitätsmodul in [kN/mm2]

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xirrus GmbH simuliert Oberflächenbeschichtungen mit Molecular Dynamics

In einer MD-Simulation mit einer wasserabweisenden Bürstenschicht und der nackten Metalloberfläche lässt sich im direkten Vergleich zeigen, wo sich Wasser oder andere Substanzen bevorzugt aufhalten. Das Studium längerer Sequenzen ermöglicht es sowohl das thermodynamische Gleichgewicht (mittlerer bevorzugter Aufenthaltsort) als auch die Dynamik (Diffusion: wie rasch geschehen Platzwechsel) abzuleiten.

Wasserabweisende Beschichtungen können durch hydrophobe Substanzen, z.B. sogenannte Bürstenschichten erstellt werden. Meistens werden diese chemisch gebunden, nachdem sie aufgebracht worden sind, so dass der Abrieb der molekularen Bürsten gering ist. Wer eine solche Simulation noch nie mit eigenen Augen gesehen hat, wird durch die rasche Abfolge von Bewegungen überrascht sein, welche so schnell ist, dass nur wenige Messmethoden diese überhaupt nachvollziehen können.

Ein Einfaches Mass für die Qualität der Bürsenschicht ist der Kontaktwinkel des verbleibenden Wassertropfens. Je näher an 180 Grad, desto wasserabstossender die Oberfläche.