Study on the structure formation and transport properties of nanoparticulate, nanoporous media using particle-based stochastic methods

Poröse Materialien werden in verschiedenen technischen Anwendungen wie Filtration, Ingenieurwesen, Geowissenschaften, Biologie und Biophysik eingesetzt. Diese Arbeit konzentriert sich auf die Modellierung von Massentransportphänomenen, die im Porennetzwerk und bei der Bildung von nanopartikulären nanoporösen Clustern auftreten, unter Verwendung partikelbasierter stochastischer Methoden. Traditionell werden makroskopische Größen wie Porosität, Tortuosität und Konstriktivität als global gemittelte Parameter in Modellen verwendet, um die Transporteigenschaften poröser Medien abzuschätzen. Diese makroskopischen Ansätze liefern jedoch nicht den Einfluss von strukturellen Heterogenitäten des Mediums auf Massentransportphänomene. Dieser Effekt kann berücksichtigt werden, indem die Rechengebiete auf der Porenskala aufgelöst werden, wie dies bei partikelbasierten Ansätzen geschieht. Einer der Vorteile partikelbasierter Methoden ist ihre effiziente Nutzung auf modernen MehrkernhardwareArchitekturen aufgrund ihrer inhärenten Parallelität. Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein Brownscher Dynamik-Solver, der zur Modellierung der Bewegung von Tracern in porösen Medien verwendet wird, in C++ geschrieben und unter Verwendung der OpenMP- und MPI-Bibliotheken für paralleles Rechnen optimiert. Ein weiteres verwendetes partikelbasiertes Modell, die sogenannte Fast lubrication dynamics, ist in der Open-Source-Software LAMMPS implementiert. Mit Hilfe dieser Software wird die Bewegung von kolloidalen Nanopartikeln modelliert. Dazu musste eine angepasste paarweise Wechselwirkung entwickelt werden, die in der Lage ist, abgeschirmte Coulomb-Kräfte zwischen den Partikeln zu modellieren. Zusätzlich werden verschiedene externe Felder (z.B. Geschwindigkeitsfelder, elektrische Felder, Druckfelder, etc.) mit Hilfe von Open-SourceAnwendungen wie Fenics und einem in-house Lattice-Boltzmann-Solver berechnet, um deren Einfluss auf die Bewegung von Nanopartikeln oder Tracern zu evaluieren. In dieser Arbeit werden Massentransportphänomene in porösen Medien behandelt, wobei der Einfluss von Heterogenitäten in der porösen Struktur und der hemmende Effekt von engen Poren auf die Massentransporteigenschaften der genannten Medien untersucht wird. Zu den wichtigsten Erkenntnissen dieser Beiträge gehört die Entwicklung eines partikelbasierten Modells, mit dem die Diffusionsfähigkeit nanoporöser Medien berechnet werden kann. Darüber hinaus werden die Bildungs- und Struktureigenschaften von nanoporösen Clustern untersucht. Einer der Highlights dieser Studie ist ein vorgeschlagener Bildungsmechanismus von nanopartikulären Clustern, die durch Spray-Trocknung hergestellt werden.