Tanz der Atome - Institut für Theoretische und Angewandte Physik ...
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<strong>Tanz</strong> <strong>der</strong> <strong>Atome</strong><br />
Hans-Rainer Trebin<br />
<strong>Institut</strong> für <strong>Theoretische</strong> <strong>und</strong><br />
<strong>Angewandte</strong> <strong>Physik</strong><br />
Universität Stuttgart
1. Zum Atombegriff
<strong>Atome</strong><br />
Leukipp 450-370 v. Chr.<br />
Demokrit von Ab<strong>der</strong>a 460-371 v. Chr.<br />
Eisenstab 250 mm<br />
( )<br />
56 -9<br />
Fe-Atom: 250 pm = 250 mm ⋅ 10 ← 1 30<br />
2
Kann man <strong>Atome</strong> sehen?
<strong>Atome</strong> ertasten!<br />
rt Voigtlän<strong>der</strong>,<br />
rschungszentrum Jülich, IGV<br />
http://www.almaden.ibm.com/vis/stm/stm.htm
Fragen<br />
• Wie bewegen sich <strong>Atome</strong> in einem<br />
Festkörper bei Raumtemperatur <strong>und</strong><br />
höher?<br />
• Wie bewegen sich die <strong>Atome</strong> beim Biegen<br />
<strong>und</strong> Brechen eines Festkörpers?<br />
Antwort<br />
• Atomistische numerische Simulationen<br />
6
2. Atomistische<br />
numerische Simulationen
Modellvorstellung Einzelatom<br />
Kraftgesetz
Festkörperstrukturen<br />
Kristalle<br />
Quasikristalle
Klassische Molekulardynamik
Ab-initio-Molekulardynamik<br />
• Ionen + Valenzelektronen
Visualisierung<br />
• <strong>Atome</strong> direkt als Kugeln darstellen, Ladungsdichte<br />
als Wolke<br />
• Zusatzinformation: Kinetische o<strong>der</strong> potenzielle<br />
Energie eines Bereichs farbkodieren, ggf.<br />
transparent<br />
• Selektive Darstellung: Nur <strong>Atome</strong> erhöhter<br />
potenzieller Energie zeigen (bei dreidimensionaler<br />
Simulation)<br />
• Selektive Darstellung: Nur <strong>Atome</strong> mit reduzierter<br />
Zahl an Nachbarn zeigen (bei Oberflächen)<br />
• Weiteres an Beispielen
Skalen<br />
• Standard: 1 -100 Mio <strong>Atome</strong><br />
• Pro Atom 10 Zahlenangaben = 40 Bytes<br />
• 1 Zeitschritt: 1 Femtosek<strong>und</strong>e (10 -15 s)<br />
• Erreichbar: 1 Mio Zeitschritte = 1 ns<br />
• 40 - 4000 Terabyte<br />
• Zeitlupe: Faktor 1 Billion (10 12 )<br />
125 nm = 1/400<br />
Haaresbreite<br />
• Supermikroskop<br />
• Superzeitlupe<br />
• Supercomputer<br />
100.<br />
000 Jahre<br />
13
3. Beispiel:<br />
Gleichgewicht,Diffusion
<strong>Tanz</strong> <strong>der</strong> <strong>Atome</strong>
Diffusion in d-AlNiCo
Elektronendichte im d-AlNiCo
4. Beispiel:<br />
Plastische Verformung
Beobachtungen<br />
Kleine Kräfte: Elastische Verformung<br />
Große Kräfte: Dauerhafte (plastische)<br />
Verformung, Bruch
Dauerhafte Verformung in<br />
periodischem Kristall
Abscherung hexagonaler Kristall
Versetzungsbewegung
Versetzungslinie in drei Dimensionen<br />
http.//welt<strong>der</strong>physik.de/themen/stoffe/materialien/<br />
kristalle/verformbar/index.html<br />
Dieter Brunner
Durch Cluster behin<strong>der</strong>te<br />
Versetzungsbewegung
Deformationsverhärtung<br />
Farid Abraham IBM Almaden<br />
http://www.almaden.ibm.com/st/Simulate/df2.html
5.Beispiel<br />
Bruch
Bruchfolgen<br />
Aloha Airline Boeing 738, 1988<br />
27
Bruchflächen in periodischen Kristallen<br />
Peter Gumbsch<br />
http://finix.mpi-stuttgart.mpg.de/~gumbsch
Bruchflächen von Quasikristallen<br />
Ph. Ebert et al. 1996 PRL 77, 3827
Rissausbreitung in ebenen<br />
Quasikristallen
Rissausbreitung in 3D atomistisch<br />
Seitenansicht 3d Riss
Die Rissfläche abtasten
Simulation <strong>und</strong> Experiment<br />
2<br />
2<br />
Ebert et al, PRB 57(5), 1998
Rissausbreitung 3d QK<br />
Stadiondämpfung
Riss mit Überschallgeschwindigkeit<br />
Markus Buehler, MPI-MF<br />
http://shasta.mpi-stuttgart.mpg.de/people/buehler/movies/supersonic-low-mpg.mpg<br />
35
6. Beispiel: Schock
Plastische Welle
Soliton, elastische <strong>und</strong> plastische Welle
Soliton verfolgt von plastischer Welle
7. Vision Simulation
Numerische Simulationen<br />
Erlauben Einblicke in das Leben <strong>der</strong> <strong>Atome</strong>, die<br />
mikroskopische Welt, die biologischen<br />
Makromoleküle<br />
Erlauben es, Materie unter extremen<br />
Bedingungen zu studieren (Beispiel: Flüssiger<br />
Grafit <strong>und</strong> Diamant, 8000 K, 100.000 mal Druck<br />
<strong>der</strong> Erdatmosphäre, 10 GPa)<br />
Erlauben 3. <strong>Physik</strong>alisches virtuelle <strong>Institut</strong> Reisen auch in die<br />
makroskopische C. Tietz, A. Aird, Welt mit kosmischen Skalen<br />
D. Pflugfel<strong>der</strong>, J. Wrachtrup
Mitwirkende<br />
• Johannes Roth<br />
• Franz Gähler<br />
• Ulrich Koschella<br />
• Stephen Hocker<br />
• Ralf Mikulla<br />
• Gunther Schaaf<br />
• Christoph Rudhart<br />
• Michael Engel<br />
• Frohmut Rösch<br />
• Felix Krul<br />
• Peter Gumbsch<br />
• Jürgen Schulze-Döbold<br />
Geför<strong>der</strong>t z.T. durch DFG SFB 382 and SPQK<br />
http://www.itap.physik.uni-stuttgart.de
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