A5: Molekulardynamische Untersuchungen an Flüssigkeitsgrenzflächen innerhalb von nanoprösen Feststoffen.

Betreuung:

Prof. Dr.-Ing. Robert Horst Meißner, Prof. Dr.-Ing. Irina Smirnova

Zielsetzung:

Das Forschungsprojekt A5 befasst sich mit der Modellierung von Fest-Flüssig-Grenzflächen auf molekularer Ebene mit Hilfe von molekulardynamischen Simulationen. Von besonderem Interesse sind dabei Grenzflächen in nanoporösen Medien mit ihren charakteristisch hohen zugänglichen Oberflächen. Diese Materialien haben ein breites Anwendungsspektrum, insbesondere in der Elektrochemie als Elektrodenmaterialien und neuartige Energieumwandlungsprozessen. Durch die Untersuchung des Verhaltens an diesen Grenzflächen werden wertvolle Einblicke in die Schlüsselfaktoren, die die Eigenschaften von Flüssigkeiten in nanoporösen Materialien bestimmen, gewonnen und ermöglichen so die Optimierung eines breiten Spektrums entsprechender Anwendungen.

Insgesamt werden vier verschiedene Feststoffmaterialen untersucht: Platin und Gold als konventionelle Metalle sowie Graphen und Molybdändisulfid (MoS₂) als zweidimensionale (2D) Materialien. Diese Materialien wurden aufgrund ihrer Bedeutung in der Elektrochemie und als repräsentative Beispiele für verschiedene Arten von Oberflächen ausgewählt.

Während Strukturen aus Platin und Gold bereits in großem Umfang als Katalysatoren und Elektroden in elektrochemischen Prozessen eingesetzt werden, versprechen die neueren 2D-Materialien Graphen und MoS₂ aufgrund ihrer einzigartigen mechanischen und elektrischen Eigenschaften eine vielversprechende Anwendung bei neuartigen Formen der Energieumwandlung und Filtration im Bereich der Nanofluidik.

Im ersten Teil des Forschungsprojekts werden vorranging strukturelle und dynamische Eigenschaften von Wasser an den Grenzflächen der genannten Materialen untersucht, da Wasser sowohl in einer Großzahl von technsichen als auch natürlichen Prozessen in Kontankt mit diesen Oberflächen vorkommt. Darüber hinaus wird, mit einem speziellen Fokus auf Graphen, das Verhalten von eingeschränkten wässrigen Lösungen und ionischen Flüssigkeiten untersucht, wie sie in der Diffusio-osmosis (Abb. 1 (links)) bzw. in Superkondensatoren (Abb. 1(rechts)) vorkommen.

Abbildung 1: Schematische Darstellung (links) des diffusio-osmotischen Transport einer wässrigen Lösung in einem Nanokanal und (rechts) eines Superkondensators gefüllt mit einer ionischen Lösung.

Die so erhaltenen Einblicke in das Verhalten auf der Nanoebene sollen anschließend Aufschluss über Zusammenhänge mit makroskopisch beobachtbaren Eigeschaften ermöglichen.

Materialien und Methoden:

Die molekulardynamischen Simulationen werden in den Umgebungen des Large-scale Atomic/Molecular Massively Parallel Simulator (LAMMPS) und CP2K durchgeführt. Die Simulationen beruhen dabei je nach Komplexität des zu betrachtenden Systems auf unterschiedlichen theoretischen Ansätzen, von klassichen Kraftfeldsimulationen bis zu quantenmechanische Zustandsberechnungen mittels der Dichtefunktionaltheorie.

Zur Untersuchung des dynamischen und strukturellen Verhaltens der Wasserkontanktschicht (Abbildung 1) auf den genannten Materialen wird zunächst ein atomistisches Wechselwirkungspotential auf der Grundlage Hochdimensionaler Neronalen Netze der zweiten Generation entwickelt.

Abbildung 2: Wasserkontanktschicht auf einer Gold Au(111) Oberfläche.

Als Grundlage dienen hierfür quantenmechanische Grundzustandsberechnungen basierend auf der Dichtefunktionaltheorie. Diese HDNNPs erreichen eine hohe Übereinstimmung mit ab-initio Ergebnnissen, ermöglichen jedoch die Betrachtung größerer Systeme über eine längere Zeitskala bis zu einigen Nanosekunden.

Aufgrund ihres Aufbaus und des sehr aufwendigen Generierens des zugrundeliegenden Datensatzes mittels ab-initio Berechnungen, eigenen sich die HDNNPs hauptsächlich für Systeme mit einer geringen Anzahl an Elementen.

Daher werden für die Berechnungen von wässrigen Lösungen in Nanokanälen (Abb. 3 (links)) und den eingeschlossenen Ionischen Flüssigkeiten in graphitischen Schlitzporen (Abb. 3 (rechts)) auf klassiche Kraftfelder zurückgegriffen. Diese werden jedoch um verschiedene Ansätze zur Beschreibung der Ladungsverschiebung innerhalb der Struktur als auch der atomistischen Polarisation ergänzt.

Abbildung 3: (links) Modell einer wassergefüllten graphitischen Nanoröhre als runder Nanokanal. (rechts) Ionische Flüssigkeit innerhalb einer graphitischen Schlitzpore.

Die Ergebnisse bezüglich der eingeschlossenen ionischen Flüssigkeit sind bereits in der Fachpresse (AIP, The Journal of Chemical Physics) publiziert und als open-access für die Öffentlichkeit zugänglich.