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Simulation framework for multi-scale phenomena in micro- and nanosystems

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Modellierung von nanofähigen Systemen durch komplexe Simulationen in mehreren Maßstäben

Das von der EU geförderte SIMPHONY-Projekt hat mehrere spezialisierte Multiskalen-Modellierungswerkzeuge entworfen und entwickelt, mit denen sich die Zeit für die Entwicklung neuartiger nano- und mikrofluidischer Geräte für biomedizinische, chemische und energiebezogene Anwendungen verkürzen lässt.

Industrielle Technologien

Um nanofähige Systeme akkurat zu modellieren, sind komplexe Simulationen in mehreren Skalen und Multi-Modell-Ansätze erforderlich, die relevante Phänomene auf den Nano-, Mikro-, Meso- und Makroskalen verknüpfen können. Obwohl gegenwärtig verfügbare Simulationswerkzeuge und -modelle ein Material auf jeder dieser Skalen separat genau beschreiben können, fehlt der Forschung ein integrierter, mehrskaliger Simulationsrahmen, der eine nahtlose Verknüpfung und Kopplung verschiedener Modelle, die auf verschiedenen Skalen arbeiten, ermöglicht.   Das von der EU finanzierte SIMPHONY-Projekt hat zur Schließung dieser Lücke durch die Entwicklung einer benutzerfreundlichen integrierten mehrskaligen Modellierungsumgebung für nano-fähige Materialien und Systeme beigetragen. „Eines der Hauptziele des Projekts war die Entwicklung einer erweiterbaren und offenen Plattform für die Integration von verschiedenen bestehenden Open Source und kommerziellen Simulations- und Pre- und Post-Processing-Softwarepaketen“, erklärt Projektkoordinator Dr. Adham Hashibon. Laut Dr. Hashibon wurde diese Integration dadurch erreicht, dass die Simulationspakete mit einer effizienten, interoperablen Schnittstelle versehen wurden, die in einer höheren Programmiersprache entworfen d.h. Python) und mit einem gemeinsamen Application Programming Interface (API) nach außen implementiert wurden. „Da dieses System sowohl die Verknüpfung und Kopplung von Codes ermöglicht, bietet das Framework von SIMPHONY eine Plattform für die Entwicklung einer neuen Wissenschaft mit multiskaligen Maßstäben“, sagt er. Die in das Projekt integrierten Modellierungswerkzeuge umfassen alle Modelle auf allen Skalen, einschließlich elektronischer, atomistischer, mesoskopischer und kontinuumspezifischer Modelle.   Eine Reihe wichtiger Ergebnisse Das SIMPHONY-Projekt führte zu mehreren wichtigen Ergebnissen. Indem eine Taxonomie der Kommunikationen zwischen und innerhalb der Prozesse und der Datenanforderungen durchgeführt wurde, die für jede Gruppe von Werkzeugen und Modellen erforderlich sind, entwickelten die Forscher eine erste Reihe von Spezifikationen für das Softwaredesign der Wrapper-Schnittstellen und Common Unified Data Structures (CUDS). „CUDS bieten interoperable Ebene zwischen allen Modellen und Simulationssoftware“, erklärt Hashibon. „Ein wichtiges Ergebnis dieser Arbeit war die Entwicklung einer Basisontologie von Rechenanwendungen und -modellen.“ Ein weiteres wichtiges Ergebnis war die Entwicklung der CUBA (Common Universal-Unified-Basic-Attributes) als gemeinsame Nomenklatur und Metadaten für Multiskalenmodellierung und -anwendungen. „Während CUBA im Wesentlichen Metadaten für Multiskalenmodellierung definiert, definieren CUDS das entsprechende Metadatenschema“, sagt Hashibon. „Gemeinsam ermöglichen sie den nahtlosen Übergang von Informationen und die Repräsentation von Modellen und Daten in allen Subdomänen, so dass Modelle nahtlos gekoppelt und verknüpft werden können.“ Die Effizienz des Modellierungsrahmens Auf der Basis der allgemeinen Anforderungen und den CUDS-Spezifikationen entwickelten die Projektforscher zwei Varianten von Wrapper-Schnittstellen für Modellierungsmaschinen. Dies führte zu einer Reihe von Simulationsanwendungen, die alle Modelle und Skalen abdecken, einschließlich der drei Hauptrechenbereiche für Gitter, Partikel und netzbasierte Systeme. „Das SIMPHONY-Projekt hat die Effizienz des Modellierungsrahmens in relevanten Nanotechnologie-Feldern erfolgreich demonstriert, indem es mehrere spezialisierte mehrskalige Modellierungswerkzeuge entworfen und entwickelt hat, die die Zeit für die Entdeckung neuartiger nano- und mikrofluidischer Vorrichtungen für biomedizinische, chemische und energetische Anwendungen reduzieren kann“, schließt Hashibon. „Insbesondere setzte es bei Systemen für Nanodruck, NEMS (Nanoelektromechanische Systeme), Schaumformverfahren und mikrofluidischen Anwendungen an.“

Schlüsselbegriffe

SIMPHONY, Nanotechnologie, Nanomaterialien, NEMS, CUDS

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