EmpaNews 29 erschienen

Fokus: Materialwissenschaft und Simulationen

10.05.2010 | BEATRICE HUBER

Wie lassen sich – zumindest in den Natur- und Ingenieurwissenschaften – neue Einsichten und Erkenntnisse gewinnen? Etwa indem man das «Objekt der Begierde» beobachtet, eine Theorie dazu aufstellt und diese in einem – oder in den meisten Fällen mehreren – Experiment(en) überprüft.

Viele Probleme, mit denen sich Forscherinnen und Forscher heutzutage rumschlagen, lassen sich indes nicht so einfach experimentell «nachspielen». Wie wollen Sie zum Beispiel das Klima im Labor reproduzieren? Oder ganze Ökosysteme? Wie Vorhersagen darüber treffen, wie sich bestimmte Phänomene – etwa eine Wolke aus Vulkanasche – in den kommenden Tagen verändern?

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Um Fragen wie diese zu beantworten, kommen Hochleistungsrechner und computergestützte Modellierungen, Computersimulationen, zum Einsatz. In silico können die ForscherInnen aus dem Vollen schöpfen und je nach Rechenleistung viele verschiedene Szenarien durchrechnen. An der Empa übernimmt diesen Job eine fleissige Mitarbeiterin, der Computercluster «Ipazia», der derzeit weiter ausgebaut wird, um noch mehr und noch anspruchsvollere Berechnungen durchführen zu können.

Ipazia ist unermüdlich und extrem multidisziplinär; sie arbeitet mehr oder weniger rund um die Uhr und liefert Hinweise zu Fragen wie: Warum ordnen sich bestimmte Moleküle auf Oberflächen spontan zu so genannten Nanostrukturen an? Wie breiten sich Luftschadstoffe von bestimmten «Punktquellen» in der Atmosphäre aus – oder Lärm in der Umgebung? Wie verhalten sich komplexe Hydride, die für die Speicherung von Wasserstoff eingesetzt werden, unter verschiedenen Bedingungen?

Lernen Sie Ipazia näher kennen, im aktuellen «Fokus» stellen wir sie Ihnen vor.

 

            
Forschung und Entwicklung

  • Der Ideen-Generator
    Patrik Hoffmann ist fasziniert von komplizierten Sachverhalten. «Je schwieriger ein Problem, desto neugieriger macht es mich», beschreibt er seinen Wissensdrang. Den stillt der Spezialist für mikro- und nanostrukturierte Präzisionsoberflächen und für Mikrowellen- und Lasermaterialbearbeitung seit April 2009 an der Empa, als Leiter der Abteilung «Advanced Materials Processing».
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  • So gut wie einzigartig – Laserzentrum an der Empa
    In einer neuen Anlage der Empa können ab Sommer 2010 grosse Flächen mit einem gepulsten Ultraviolett-Laserstrahl bearbeitet werden. Die Mikrostrukturierung verhilft den Materialien – etwa Polymer- und auch noch zu erforschende Keramikfolien – zu neuen physikalisch-mechanische Eigenschaften.
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  • Synthetische Seeigel als Lichtfänger
    Empa-ForscherInnen ist es gelungen, aus winzigen Polystyrol-Kügelchen mit einem einfachen elektrochemischen Verfahren «Seeigel» zu züchten, deren «Stacheln» aus Zinkoxid-Nanodrähten bestehen. Die strukturierte Oberfläche soll Photovoltaikanwendungen effizienter werden lassen.
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  • Biokatalyse, eine «grüne» Seite der Chemie
    Moleküle und Materialien selektiv, sicher und umweltverträglich herstellen, das schaffen Enzyme. Empa-Forscherinnen und -Forscher untersuchen diese Biomoleküle und testen sie für neue Anwendungen – auch und vor allem für die Industrie.
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  • Dem Haarriss auf der Spur
    So mancher Flugzeugunfall geht auf unerkannte Mikroschäden zurück, etwa an den Flügeln und am Fahrwerk: Bereits ein Haarriss kann diese unter Belastung während eines Fluges brechen lassen. Deshalb entwickeln Empa-Forschende neuartige Systeme, um entsprechende Schäden frühzeitig zu erkennen.
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Dienstleistungen

  • «Schmutz» macht Dioden flott
    Die Empa und der japanische Autobauer Toyota haben Qualitätsschwankungen der Dioden in Gleichstrom-Wechselstrom-Konvertern von Hybridautos untersucht. Dabei zeigte sich, dass Kohlenstoffverunreinigungen in den Siliziumwafern, aus denen die Dioden gefertigt sind, das Schaltverhalten der Dioden verbessern.
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  • Chlorkorrosion führte zu Hallenbadunglück
    2010 jährt sich das Hallenbadunglück Uster zum 25. Mal. Empa-Experten untersuchten damals die Ursachen des Deckeneinsturzes, der zwölf Menschen das Leben gekostet hatte. Ihr Befund: Spannungsrisskorrosion an den Aufhängebügeln.
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Fokus: Materialwissenschaft und Simulationen

  • Immer am Rechnen
    Computersimulationen sind aus der modernen Wissenschaft nicht mehr wegzudenken. Auf dem Computercluster Ipazia, der momentan weiter ausgebaut wird, berechnen Empa-Forscherinnen und -Forscher etwa, wie sich Eisenbahnlärm ausbreitet, wie sich Moleküle auf Oberflächen spontan zu Nanostrukturen anordnen oder was in Brennstoffzellen genau passiert.
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  • Mit Computational Power gegen Lärm
    Der Computercluster Ipazia hilft Forschenden an der Empa, riesige Datenmengen zu bewältigen, mit denen sich komplexe Situationen simulieren lassen. Akustiker haben etwa ein Computermodell entwickelt, mit dem sie die Lärmbelastung entlang des gesamten Schweizer Schienennetzes berechnen können.
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  • «Und nun zur Ozonprognose von morgen…» 
    Auch die Luftspezialisten der Empa nutzen Ipazia intensiv. So validieren sie beispielsweise ein Transportmodell, das «chemische» Wetterprognosen für Luftschadstoffe ermöglicht.
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  • Geschichten über tausend und ein Atom
    Nanostrukturen auf Oberflächen, die aus nur wenigen Molekülen bestehen, gelten als mögliche Bauteile für die (Opto-)Elektronik der Zukunft. Dazu muss allerdings bekannt sein, wie diese Strukturen entstehen. Empa-Forschende versuchen dies mit Computersimulationen, die das Verhalten von weit über 1000 Atomen berechnen; dadurch wollen sie auch herausfinden, wie sie die Strukturen gezielt beeinflussen könnten.
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