Methods for in silico design of innovative materials

Erlebach, Andreas GND

Time and cost efficient optimization of existing and design of novel materials is achieved by prediction of the materials structure and properties by employing computational - in silico - methods. First, predictions of the phase stability and thermomechanical properties for zero thermal expansion glass ceramics consisting of Ba1-mSrmZn2-2nMg2nSi2O7 (BZS) solid solutions. Predictions of the martensitic phase transition temperature show good agreement with experimental observations. Moreover, the origin of the negative thermal expansion at the atomic level was revealed for Ba0.5Sr0.5Zn2Si2O7 by using density functional theory simulations. The second case study was the elucidation of the atomic structure and crystallization of nanoparticulate Fe2O3 starting from its smallest Fe2O3 building block up to nanometer-sized Fe2O3 particles. Most of the (Fe2O3)n clusters show compact, almost amorphous structures with little or no symmetry, except for the tetrahedral, adamantane-like (Fe2O3)2 structure. Simulated crystallization of larger nanoparticles with diameters of about 5 nm resulted in ϵ-Fe2O3 single crystals with hexagonal morphology. The hexagonal morphology is in excellent agreement with experimental results providing the first direct indication that ϵ-Fe_2O_3 may be thermodynamically the most stable phase for nanoparticles of this size. Finally, the third example case focusses on the optimization of polymeric nanocarriers for the efficient encapsulation of biologically active substances such as drugs. Therefore, the thermodynamic compatibility of polymers with low molecular weight compounds is evaluated using thermodynamic models parameterized by atomistic simulations. The physico-chemical properties of the investigated polymers show good agreement with experimental observations.

Die zeit- und kosteneffiziente Optimierung existierender sowie das Designs neuer Materialien wurde durch die Vorhersage der Materialstruktur und -eigenschaften mithilfe rechengestützter - in silico - Methoden erzielt. Zum einen erfolgten Vorhersagen der Phasenstabilität und der thermomechanischen Eigenschaften von Glaskeramiken mit null Wärmeausdehnung bestehend aus Ba1-mSrmZn2-2nMg2nSi2O7 (BZS) Mischkristallen. Vorhersagen der martensitischen Phasenübergangstemperatur zeigen gute Übereinstimmung mit experimentellen Beobachtungen. Außerdem wurde der Ursprung der negativen thermischen Ausdehnung auf atomaren Niveau für Ba0.5Sr0.5Zn2Si2O7 mithilfe von Dichtefunktionaltheorie Simulationen aufgeklärt. Eine zweite Fallstudie betraf die Aufklärung der atomaren Struktur und Kristallisation von nanopartikulärem Fe2O3, beginnend mit dem kleinsten Fe2O3-Baustein bis zu nanometergroßen Fe2O3-Partikeln. Die meisten der (Fe2O3)n-Cluster zeigen kompakte, fast amorphe Strukturen mit geringer oder keiner Symmetrie mit Ausnahme der tetraedrischen, Adamantan-ähnlichen (Fe2O3)2 Struktur. Die simulierte Kristallisation größerer Nanopartikel mit Durchmessern von etwa 5 nm ergab ϵ-Fe2O3 Einkristalle mit hexagonaler Morphologie. Die hexagonale Morphologie stimmt hervorragend mit experimentellen Ergebnissen überein, was den ersten direkten Hinweis dafür liefert, dass ϵ-Fe2O3 die thermodynamisch stabilste Phase für Nanopartikel dieser Größe sein kann. Das dritte Fallbeispiel befasste sich mit der Optimierung von polymeren Nanopartikeln für die effiziente Einkapselung biologisch aktiver Substanzen. Hierfür wurde die thermodynamische Kompatibilität von Polymeren mit niedermolekularen Verbindungen mithilfe thermodynamischer Modelle errechnet, die durch atomistische Simulationen parametrisiert wurden. Die berechneten physikalisch-chemischen Eigenschaften der untersuchten Polymere zeigen gute Übereinstimmung mit experimentellen Beobachtungen.

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Erlebach, Andreas: Methods for in silico design of innovative materials. Jena 2019.

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