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Information für die Wissenschaft Nr. 50 | 10. September 2013
Schwerpunktprogramm „Partikel im Kontakt – Mikromechanik, Mikroprozessdynamik und Partikelkollektive“ (SPP 1486)

Der Senat der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) hatte im April 2010 die Einrichtung des Schwerpunktprogramms „PiKo“ (SPP 1486) beschlossen. Als Laufzeit sind sechs Jahre vorgesehen.

Die gegenseitigen Wechselwirkungen zwischen Partikeln in granularer Materie bestimmen maßgeblich die Eigenschaften vieler disperser Feststoffprodukte (Füllstoffe, Pigmente, Pulverwerkstoffe oder Wirkstoffe) und natürlicher Stoffe (Aerosole, Böden, Schlämme oder Stäube). Die Prozesse zur Erzeugung, Wandlung und Verarbeitung der Feststoffprodukte werden ebenfalls entscheidend durch die interpartikulären Wechselwirkungen beeinflusst.

Ziel des Schwerpunktprogramms ist, die physikalisch-chemischen Grundvorgänge und Mikroprozesse bei Annäherung, im Kontakt und bei Ablösung haftender Partikel zu verstehen. Dieses Wissen soll für die Produktentwicklung in der Feststoffverfahrenstechnik nutzbringend angewendet werden. Während in Fluiden der Transport disperser Partikel vergleichsweise gut verstanden ist, stößt unser Wissen an Grenzen, sobald die Kontaktdynamik haftender feiner Partikel (einige Nano- bis 100 Mikrometer) eine Rolle spielt. Verstehen heißt, die Mikromechanik in Ursache-Wirkung-Antwort-Beziehungen zu fassen. Das bedeutet konkret, die Spannung-Deformations-, Kraft-Weg-, Drehmoment-Winkel- und Potenzial-Abstands-Funktionen der sechs mechanischen Freiheitsgrade der Translation und Rotation der Partikel zu modellieren und zu kombinieren. Damit würde sich das dynamische Verhalten von Pulvern nicht nur qualitativ, sondern quantitativ vorhersagen lassen. Die interdisziplinäre Lösung eines derartig skalenübergreifenden Ziels war bis vor Kurzem noch nicht denkbar. Durch neue Entwicklungen sowohl im Bereich der Simulationen als auch der Messtechnik rückt das Ziel, Partikel im Kontakt zu verstehen, jedoch in erreichbare Nähe.

Kennt man die Kontaktmechanik, kann man die räumlichen Positionen, Geschwindigkeiten und Beschleunigungen aller Partikel im System numerisch berechnen. Damit lässt sich insbesondere die Prozessdynamik eigenschaftsverteilter Partikelkollektive viel realistischer über große Zeit- und Längenskalen hinweg simulieren. Dieser Ansatz geht tiefer als die klassische Kontinuumsmechanik, wo ganzen Partikelkollektiven empirisch ein mittleres konstitutives Stoffverhalten zugewiesen wird. Mit vereinten/kombinierten Theorien und numerischen Simulationsmethoden der Physik (Statistik, Molekulardynamik), der Mechanik (Fluiddynamik, Diskrete-Elemente-Methode, Finite-Elemente-Methode, Mehrkörperdynamik), mit modernen experimentellen Methoden der physikalischen Chemie und Physik (atomar auflösende Messtechniken wie zum Beispiel Rasterkraftmikroskopie) und mit ersten ausgereiften Kontaktmodellen in der Verfahrenstechnik stehen methodische Werkzeuge zur Verfügung, deren Leistungsfähigkeit und Anwendbarkeit auf eine deutlich höhere Stufe zu heben sind.

Die besondere Qualität des Vorhabens besteht in einer neuen, kontaktmodellgestützten quantitativen Vorhersage des makroskopischen Produktverhaltens und der Prozessdynamik von realistischen und industriell relevanten, eigenschaftsverteilten Partikelkollektiven. Diese anspruchsvolle Zielsetzung lässt sich nur mit einem multiskaligen und multidisziplinären Forschungsansatz in Zusammenarbeit zwischen Physikern, Physiko-Chemikern, Mechanikern und Verfahrenstechnikern erreichen. Schon heute ist absehbar, dass sich das Schwerpunktprogramm zukünftig prägend auf die Grundlagen- und Methodenentwicklung in der Verfahrenstechnik und in ihrer technologischen Umgebung, zum Beispiel Nano-, Bio- und Pharmatechnologie oder Werkstofftechnik, auswirken wird. Die Resultate dienen der kurz- und mittelfristigen Bereitstellung von Kontaktgesetzen für multiskalige Simulationsmethoden, zur Prozessoptimierung und -intensivierung und langfristig zur modellgestützten Prozessregelung.

Das Schwerpunktprogramm gliedert sich in vier methodisch eng mit einander verknüpfte Projektbereiche:
A) Physikalisch-chemische Grundvorgänge in der Kontaktzone (molekulare Fließvorgänge, Adsorptionsschichten, Energiedissipation, Aktivierung der Kontaktzone)
B) Partikel-Partikel- und Partikel-Wand-Kontakte (variable Haftung, Reibung, Rollen und Torsion, Rauhigkeit, Spannungsverteilung, Bindemechanismen, Verfestigung, Entfestigung, Energieabsorption)
C) Partikelstöße und deren Dynamik (zentrale und schiefe Stöße, Drehimpuls, Rissbildung, Ladungen, Tribolumineszenz)
D) Konstitutive Stoffgesetze für Partikelkollektive auf der Makroebene (Übergang von Partikel- zum repräsentativen Kollektivverhalten, prozesstechnische Anwendungen)

Diese Gliederung dient der methodischen Orientierung bei der Formulierung der wissenschaftlichen Fragestellungen in den jeweiligen Teilprojekten. Zur Forcierung der interdisziplinären Zusammenarbeit ist es möglich, dass zwei komplementäre Arbeitsgruppen eine gemeinsame Themenstellung bearbeiten. Dieses kann auch durch Tandemprojekte realisiert werden, die vorrangig einem Projektbereich zugeordnet werden sollten.

Die Modellstoffe der zu untersuchenden Stoffgruppen, zum Beispiel anorganische, metallische oder weiche organische Partikelsysteme, sind in jedem Teilprojekt frei wählbar. Um die Kohärenz der Projekte, Vergleichbarkeit und Übertragbarkeit der Ergebnisse zu gewährleisten, sollen zumindest drei charakteristische Partikelsysteme in allen experimentellen Teilprojekten gemeinsam untersucht werden. Ausgewählt wurden steife Glaspartikel, vergleichsweise stark haftende TiO2-Partikel und weiche organische Latexpartikel mit bequem bestimmbaren granulometrischen Daten, die typisch für bestimmte mikromechanische Verhaltensmuster sind. Ein Serviceprojekt wird sich um die Bereitstellung, Herstellung, Funktionalisierung und physikalisch-chemische Charakterisierung dieser drei ausgewählten Partikelsysteme kümmern.

Um die Kohärenz der Teilprojekte und die gegenseitige Vergleichbarkeit der neuen Methoden zu gewährleisten, sollen die Modelle die wesentlichen physikalisch-chemischen Mikroprozesse und mechanischen Eigenschaften beinhalten, zum Beispiel:

  • Reversible elastische Eigenschaften eines Kontaktes

  • Zeitabhängige reversible Entlastung des Kontaktes (Schwingungen, Relaxation)

  • Kurzreichweitige attraktive und repulsive Wechselwirkungen

  • Irreversible (plastische) Kontaktdeformation und Haftkraftverstärkung

  • Geschwindigkeitsabhängige irreversible Kontaktdeformation

  • Energieabsorption beim Kontaktgleiten, -rollen und -verdrehen haftender Partikel

  • Mechanische Eigenschaften der festkörper-analogen und/oder flüssigkeits-analogen Adsorptionsschichten auf den Partikelgrenzflächen

  • Technisch reine Oberflächen beziehungsweise Kontaktflächen

  • Wechselwirkungen zwischen rauen Partikeln, Deformations-, Reibungs- und Fließvorgänge

  • Hochauflösende mikroskopische Messtechniken (Rasterkraftmikroskopie, Nanoindenter, Laser-Fluoreszenzmikroskopie, Lichtemission, Röntgenspektroskopie) zur Kalibration und Bewertung der Kontaktmodelle

  • Verteilungen der Kontakteigenschaften der Partikelkollektive

  • Mikroprozesse des Aufbaus (Kristallisation, Sintern, chemische Reaktionen) und der Zerstörung (Abrieb, Abrasion, Bruch) von Festkörperbrückenbindungen zwischen den Partikeln sowie der Haft- und Dispergiervorgänge der Aggregate und Agglomerate bei Stößen

Die Forschung soll sich tief gehend auf einzelne dieser Punkte konzentrieren, aber auch mehrere gleichrangig behandeln, da die wenigsten isoliert betrachtet werden können. Sie dienen der methodischen Orientierung bei der Formulierung der wissenschaftlichen Fragestellungen in den jeweiligen Teilprojekten. Zur Sicherung der Kohärenz des Schwerpunktprogramms sind außerdem folgende Einschränkungen sinnvoll:

  • Wegen der Dominanz der interpartikulären Wechselwirkungskräfte im Verhältnis zu den Volumenkräften werden nur nanodisperse bis feine feste Partikelkollektive (d < 100 µm) betrachtet. Grobe Partikelkollektive, deren Wechselwirkungen sich hinreichend mit dem klassischen Feder-Dämpfer-Modell beschreiben lassen, werden ausgeschlossen.

  • Fluide disperse Stoffsysteme wie zum Beispiel Blasen oder flüssige und feste Schäume werden ebenfalls ausgeschlossen.

  • Die Wechselwirkungen komplex strukturierter Makromoleküle und die damit im Zusammenhang stehenden chemisch-strukturellen Fragestellungen werden nicht untersucht.

  • Die komplexen biochemischen und biomechanischen Wechselwirkungen weicher Zellen mit ihren festen Trägerpartikeln können in diesem Schwerpunktprogramm nicht untersucht werden.

  • Makroskopische CFD-Simulationen fluiddynamischer Transportphänomene des umgebenden Fluids allein werden ebenso wenig betrachtet wie Zwei-Fluid-Modelle. Allerdings sind Strömungs-Mikromechanik und CFD willkommene methodische Werkzeuge auf der Mikroebene der Partikelwechselwirkungen.

Die Antragstellung erfolgt über das elan-Portal – dieses steht Ihnen für die Erfassung der antragsbezogenen Daten und zur sicheren Übermittlung von Dokumenten zur Verfügung. Bei einem Fortsetzungsantrag gehen Sie bitte über den vorherigen Antrag auf die elektronischen Antragsformulare. Für die richtige Zuordnung wählen Sie bitte das Schwerpunktprogramm aus der angebotenen Liste aus.

Die Anträge für das fünfte und abschließende sechste Jahr sind bis spätestens 9. Dezember 2013 (Deadline 24 Uhr) einzureichen.

Bitte berücksichtigen Sie für den Fall, dass es sich bei dem Antrag innerhalb dieses Schwerpunktprogramms um Ihren ersten Antrag bei der DFG handelt, dass Sie sich vor der Antragstellung im elan-Portal registrieren müssen. Die Bestätigung der Registrierung erfolgt in der Regel bis zum darauffolgenden Arbeitstag. Ohne vorherige Registrierung ist eine Antragstellung nicht möglich.

Das Begutachtungskolloquium des Schwerpunktprogramms wird voraussichtlich im Februar 2014 in Frankfurt/Main stattfinden.

Weiterführende Informationen

Den Zugang zur Antragstellung über das elan-Portal finden Sie unter:

Das Merkblatt zu Schwerpunktprogrammen (DFG-Vordruck 50.05) steht unter:

Für inhaltliche Rückfragen steht Ihnen der Koordinator des SPP zur Verfügung:

  • Prof. Dr.-Ing. Jürgen Tomas,
    Universität Magdeburg,
    Institut für Verfahrenstechnik,
    Tel. +49 391 67-18783,
    juergen.tomas@ovgu.de

Fragen zur Antragstellung beantworten Ihnen die DFG-Ansprechpersonen:

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