Schwerpunktprogramm Partikel im Kontakt Mikromechanik, Mikroprozessdynamik und Partikelkollektive (SPP 1486) Nr

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1 Schwerpunktprogramm Partikel im Kontakt Mikromechanik, Mikroprozessdynamik und Partikelkollektive (SPP 1486) Nr Oktober 2011 Das Schwerpunktprogramm Partikel im Kontakt Mikromechanik, Mikroprozessdynamik und Partikelkollektive geht nunmehr in die Antragsphase für die zweite 2-jährige Förderperiode. 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 PiKo ist, die physikalischchemischen 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 Nanobis 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.

2 Kennt man die Kontaktmechanik, dann 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 Kontinuums-mechanik, 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 z.b. 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 der Schwerpunkt zukünftig prägend auf die Grundlagen- und Methodenentwicklung in der Verfahrenstechnik und in ihrer technologischen Umgebung, z. B. 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 Partikel im Kontakt Mikromechanik, Mikroprozessdynamik und Partikelkollektive gliedert sich in vier methodisch eng miteinander verknüpfte Projektbereiche: A Physikalisch-chemische Grundvorgänge in der Kontaktzone (molekulare Fließvorgänge, Adsorptionsschichten,

3 Energiedissipation, Aktivierung der Kontaktzone), B Partikel-Partikel- und Partikel-Wand-Kontakte (variable Haftung, Reibung, Rollen und Torsion, Rauigkeit, 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, Prozessdynamik, 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. Dies kann auch durch Tandemprojekte realisiert werden, die vorrangig einem Projektbereich zugeordnet werden sollten. Die Modellstoffe der zu untersuchenden Stoffgruppen, z. B. 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 TiO 2 -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, z. B.: 1. Reversible elastische Eigenschaften eines Kontaktes. 2. Zeitabhängige reversible Entlastung des Kontaktes (Schwingungen, Relaxation). 3. Kurzreichweitige attraktive und repulsive Wechselwirkungen.

4 4. Irreversible (plastische) Kontaktdeformation und Haftkraftverstärkung. 5. Geschwindigkeitsabhängige irreversible Kontaktdeformation. 6. Energieabsorption beim Kontaktgleiten, -rollen und -verdrehen haftender Partikel. 7. Mechanische Eigenschaften der festkörper-analogen und/oder flüssigkeits-analogen Adsorptionsschichten auf den Partikelgrenzflächen. 8. Technisch reine Oberflächen bzw. Kontaktflächen. 9. Wechselwirkungen zwischen rauen Partikeln, Deformations-, Reibungs- und Fließvorgängen. 10. Hoch auflösende mikroskopische Messtechniken (Rasterkraftmikroskopie, Nano indenter, Laser- Fluoreszenzmikroskopie, Lichtemission, Röntgenspektroskopie) zur Kalibration und Bewertung der Kontaktmodelle. 11. Verteilungen der Kontakteigenschaften der Partikelkollektive. 12. 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 tiefgehend 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 Schwerpunktes sind außerdem folgende Einschränkungen sinnvoll: I. 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. II. Fluide disperse Stoffsysteme wie z. B. Blasen oder flüssige und feste Schäume werden ebenfalls ausgeschlossen. III. Die Wechselwirkungen komplex strukturierter Makromoleküle und die damit im Zusammenhang stehenden chemisch-

5 strukturellen Fragestellungen werden nicht untersucht. IV. Die komplexen biochemischen und biomechanischen Wechselwirkungen weicher Zellen mit ihren festen Trägerpartikeln können in diesem Schwerpunkt nicht untersucht werden. V. 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. Anträge für das dritte und vierte Jahr sind in elektronischer Form auf CD-ROM und einfacher, ungebundener, gelochter Ausfertigung bis spätestens 9. Dezember 2011 unter dem Stichwort SPP 1486 PiKo beim Ansprechpartner der DFG-Geschäftsstelle, Herrn Dr.- Ing. Bernd Giernoth, einzureichen. Die Dokumente auf CD-ROM müssen mit den in Papier eingereichten Unterlagen identisch sein. Ein weiteres Exemplar des Antrags ist in elektronischer Form an den Koordinator des Schwerpunktprogramms zu schicken: Prof. Dr.-Ing. Jürgen Tomas, Das Begutachtungskolloquium des Schwerpunktprogramms wird am 22. Februar 2012 in Frankfurt/M. stattfinden. Weiterführende Informationen Bitte berücksichtigen Sie beim Aufbau Ihres Antrages das Merkblatt zu Sachbeihilfen mit Leitfaden für die Antragstellung (DFG-Vordruck 54.01), das Ihnen im Internet zur Verfügung steht unter Bitte beachten Sie, dass die elektronische Einreichung eines Antrags im Schwerpunktprogramm zurzeit noch nicht möglich ist.

6 Inhaltliche Fragen beantwortet Ihnen der Koordinator des SPP: Prof. Dr.-Ing. Jürgen Tomas Universität Magdeburg, Institut für Verfahrenstechnik Tel.: , Ansprechpartner in der DFG: Dr.-Ing. Bernd Giernoth Deutsche Forschungsgemeinschaft Tel.: ,