Coarse-graining and quantum-classical adaptive coupling in soft matter

Die vorliegende Arbeit untersucht den Zusammenhang zwischen Skalen in Systemen weicher Materie, der für Multiskalen-Simulationen eine wichtige Rolle spielt. Zu diesem Zweck wurde eine Methode entwickelt, die die Approximation der Separierbarkeit von Variablen für die Molekulardynamik und ähnliche Anwendungen bewertet. Der zweite und größere Teil dieser Arbeit beschäftigt sich mit der konzeptionellen und technischen Erweiterung des Adaptive Resolution Scheme'' (AdResS), einer Methode zur gleichzeitigen Simulation von Systemen mit mehreren Auflösungsebenen. Diese Methode wurde auf Systeme erweitert, in denen klassische und quantenmechanische Effekte eine Rolle spielen.rnrnDie oben genannte erste Methode benötigt nur die analytische Form der Potentiale, wie sie die meisten Molekulardynamik-Programme zur Verfügung stellen. Die Anwendung der Methode auf ein spezielles Problem gibt bei erfolgreichem Ausgang einen numerischen Hinweis auf die Gültigkeit der Variablenseparation. Bei nicht erfolgreichem Ausgang garantiert sie, dass keine Separation der Variablen möglich ist. Die Methode wird exemplarisch auf ein zweiatomiges Molekül auf einer Oberfläche und für die zweidimensionale Version des Rotational Isomer State (RIS) Modells einer Polymerkette angewandt.rnrnDer zweite Teil der Arbeit behandelt die Entwicklung eines Algorithmus zur adaptiven Simulation von Systemen, in denen Quanteneffekte berücksichtigt werden. Die Quantennatur von Atomen wird dabei in der Pfadintegral-Methode durch einen klassischen Polymerring repräsentiert. Die adaptive Pfadintegral-Methode wird zunächst für einatomige Flüssigkeiten und tetraedrische Moleküle unter normalen thermodynamischen Bedingungen getestet. Schließlich wird die Stabilität der Methode durch ihre Anwendung auf flüssigen para-Wasserstoff bei niedrigen Temperaturen geprüft.

Numerical coupling of thermal-electric network models and energy-transport equations including optoelectronic semiconductor devices

In this work the numerical coupling of thermal and electric network models with model equations for optoelectronic semiconductor devices is presented. Modified nodal analysis (MNA) is applied to model electric networks. Thermal effects are modeled by an accompanying thermal network. Semiconductor devices are modeled by the energy-transport model, that allows for thermal effects. The energy-transport model is expandend to a model for optoelectronic semiconductor devices. The temperature of the crystal lattice of the semiconductor devices is modeled by the heat flow eqaution. The corresponding heat source term is derived under thermodynamical and phenomenological considerations of energy fluxes. The energy-transport model is coupled directly into the network equations and the heat flow equation for the lattice temperature is coupled directly into the accompanying thermal network. The coupled thermal-electric network-device model results in a system of partial differential-algebraic equations (PDAE). Numerical examples are presented for the coupling of network- and one-dimensional semiconductor equations. Hybridized mixed finite elements are applied for the space discretization of the semiconductor equations. Backward difference formluas are applied for time discretization. Thus, positivity of charge carrier densities and continuity of the current density is guaranteed even for the coupled model.

Thermodynamic concepts in adaptive resolution simulations

This thesis work is devoted to the conceptual and technical development of the Adaptive Resolution Scheme (AdResS), a molecular dynamics method that allows the simulation of a system with different levels of resolution simultaneously. The simulation domain is divided into high and low resolution zones and a transition region that links them, through which molecules can freely diffuse.rnThe first issue of this work regards the thermodynamic consistency of the method, which is tested and verified in a model liquid of tetrahedral molecules. The results allow the introduction of the concept of the Thermodynamic Force, an external field able to correct spurious density fluctuations present in the transition region in usual AdResS simulations.rnThe AdResS is also applied to a system where two different representations with the same degree of resolution are confronted. This simple test extends the method from an Adaptive Resolution Scheme to an Adaptive Representation Scheme, providing a way of coupling different force fields based on thermodynamic consistency arguments. The Thermodynamic Force is successfully applied to the example described in this work as well.rnAn alternative approach of deducing the Thermodynamic Force from pressure consistency considerations allows the interpretation of AdResS as a first step towards a molecular dynamics simulation in the Grand Canonical ensemble. Additionally, such a definition leads to a practical way of determining the Thermodynamic Force, tested in the well studied tetrahedral liquid. The effects of AdResS and this correction on the atomistic domain are analyzed by inspecting the local distribution of velocities, radial distribution functions, pressure and particle number fluctuation. Their comparison with analogous results coming from purely atomistic simulations shows good agreement, which is greatly improved under the effect of the external field.rnA further step in the development of AdResS, necessary for several applications in biophysics and material science, consists of its application to multicomponent systems. To this aim, the high-resolution representation of a model binary mixture is confronted with its coarse-grained representation systematically parametrized. The Thermodynamic Force, whose development requires a more delicate treatment, also gives satisfactory results.rnFinally, AdResS is tested in systems including two-body bonded forces, through the simulation of a model polymer allowed to adaptively change its representation. It is shown that the distribution functions that characterize the polymer structure are in practice not affected by the change of resolution.rnThe technical details of the implementation of AdResS in the ESPResSo package conclude this thesis work.

From large polycyclic aromatic hydrocarbons to extended aromate-rich networks

The common ground of this study is the development of novel synthetic strategies to extended one-, two- and three-dimensional aromate-rich systems for which a number of applications are envisaged. rnThe point of departure is the synthesis and characterization of highly symmetric macrocyclic PAHs (polycyclic aromatic hydrocarbons) for which various aspects of supramolecular chemistry will be investigated. The versatility of the Yamamoto macrocyclization will be demonstrated on the basis of a set of cyclic trimers that exhibit a rich supramolecular chemistry. 1,10-phenanthroline, triphenylene and ortho-terphenyl building blocks have been successfully assembled to the corresponding macrocycles following the newly developed synthetic route. Scanning-tunneling microscopy (STM) and two-dimensional wide-angle X-ray scattering (2D-WAXS) were used to study the two- and three-dimensional self-assembly, respectively.rnSecondly, the development of chemical approaches to highly shape-anisotropic graphene nanoribbons (GNRs) and related nanographene molecules shall be discussed. Aryl-aryl coupling was used for the bottom-up fabrication of dendronized monomers, polymers and model compounds. Subsequently, these structures were converted into the final graphene material using oxidative (Scholl-type) cyclodehydrogenation. The GNRs thus obtained are characterized by an unprecedented length and lateral extension. The relevance of structural tailoring in the field of well-defined graphene materials is discussed in detail as only the chemical approach provides full geometry control. rnLastly, novel pathways towards the synthesis of extended three-dimensional networks that are dominated by nitrogen-rich motifs will be presented. If porous, these materials hold a great potential in the fields of gas and energy storage as well as for applications in catalysis. Hence, poly(aminal) networks based on melamine as crosslinking unit were synthesized and characterized with respect to the applications mentioned above. As set of conjugated poly(azomethine) networks was investigated regarding their use as a novel class of organic semiconductors for photocatalytic water splitting. The network structures described in this chapter can also be subjected to a controlled pyrolysis yielding mesoporous, nitrogen-rich carbon materials that were evaluated as active component for supercapacitors.rn

Scale bridging concepts in molecular simulation : coarse-graining and thermodynamic coupling

In dieser Arbeit wurden Simulation von Flüssigkeiten auf molekularer Ebene durchgeführt, wobei unterschiedliche Multi-Skalen Techniken verwendet wurden. Diese erlauben eine effektive Beschreibung der Flüssigkeit, die weniger Rechenzeit im Computer benötigt und somit Phänomene auf längeren Zeit- und Längenskalen beschreiben kann.rnrnEin wesentlicher Aspekt ist dabei ein vereinfachtes (“coarse-grained”) Modell, welches in einem systematischen Verfahren aus Simulationen des detaillierten Modells gewonnen wird. Dabei werden ausgewählte Eigenschaften des detaillierten Modells (z.B. Paar-Korrelationsfunktion, Druck, etc) reproduziert.rnrnEs wurden Algorithmen untersucht, die eine gleichzeitige Kopplung von detaillierten und vereinfachten Modell erlauben (“Adaptive Resolution Scheme”, AdResS). Dabei wird das detaillierte Modell in einem vordefinierten Teilvolumen der Flüssigkeit (z.B. nahe einer Oberfläche) verwendet, während der Rest mithilfe des vereinfachten Modells beschrieben wird.rnrnHierzu wurde eine Methode (“Thermodynamische Kraft”) entwickelt um die Kopplung auch dann zu ermöglichen, wenn die Modelle in verschiedenen thermodynamischen Zuständen befinden. Zudem wurde ein neuartiger Algorithmus der Kopplung beschrieben (H-AdResS) der die Kopplung mittels einer Hamilton-Funktion beschreibt. In diesem Algorithmus ist eine zur Thermodynamischen Kraft analoge Korrektur mit weniger Rechenaufwand möglich.rnrnAls Anwendung dieser grundlegenden Techniken wurden Pfadintegral Molekulardynamik (MD) Simulationen von Wasser untersucht. Mithilfe dieser Methode ist es möglich, quantenmechanische Effekte der Kerne (Delokalisation, Nullpunktsenergie) in die Simulation einzubeziehen. Hierbei wurde zuerst eine Multi-Skalen Technik (“Force-matching”) verwendet um eine effektive Wechselwirkung aus einer detaillierten Simulation auf Basis der Dichtefunktionaltheorie zu extrahieren. Die Pfadintegral MD Simulation verbessert die Beschreibung der intra-molekularen Struktur im Vergleich mit experimentellen Daten. Das Modell eignet sich auch zur gleichzeitigen Kopplung in einer Simulation, wobei ein Wassermolekül (beschrieben durch 48 Punktteilchen im Pfadintegral-MD Modell) mit einem vereinfachten Modell (ein Punktteilchen) gekoppelt wird. Auf diese Weise konnte eine Wasser-Vakuum Grenzfläche simuliert werden, wobei nur die Oberfläche im Pfadintegral Modell und der Rest im vereinfachten Modell beschrieben wird.