Titel Efficient Simulations of Wetting on Flexible Substrates
Projektkoordinator Prof. Aland (INMO)
Ziele The Lotus effect is one of the most prominent examples where nanotechnology has learned from nature. Nowadays, industrial products are equipped with microscopic structures on their surface that mimic the Lotus flower’s ability to repel water and clean itself. But nanotechnology aims to go further to create robust oil-repelling structures, which would lead to surfaces that clean themselves even from oily films (imagine self-cleaning glasses and windows). To this end, special surface structures on the length scale of micrometers are necessary, but as these are very thin, they will elastically deform as soon as they get in contact with a fluid interface. The interplay of thin structures with fluids on small length scales is to date almost unexplored.
We develop improved phase-field models to simulate the wetting of elastic nano-structured surfaces. Particular focus is on the stable coupling of the tight interplay of capillary forces and structure elasticity. Together with experimental partners we explore what happens when liquid droplets slide over elastic and microstructured surfaces and reveal how nearby droplets interact with each other by deforming the surface. We aim to get a fundamental understanding of these processes setting basis for future emerging technologies. Mehr Informationen.
Beteiligter Mitarbeiter Dominic Mokbel
Zeitraum 2019 – 2026
Sponsor DFG (Antragsnummer AL1705/5-1 und AL1705/5-2)
Titel Mechanik von Krebstumoren für verbesserte Prognostik - von der Einzelzelle zum Gewebe
Projektkoordinator Prof. Aland (INMO), Dr. Taubenberger (TU Dresden)
Ziele Tumor mechanics is a promising biomarker for the prediction of patient outcome. Previous studies have either focused on whole tumor mechanics or single cancer cell mechanics and provide partly contradictory results. In fact, mechanical properties of tissues emerge by an intermixing of cellular active stresses (cellular surface tension and cell-cell adhesion) and passive stresses (viscoelasticity), making it yet unclear how to quantitatively relate experimental data of tissue to single cell mechanical results. The goal of this project is to close this gap by developing a continuum model of tumor tissue which describes the mechanical interactions of multiple cells, including cell surface tension, bending stiffness, viscoelasticity and cell-cell adhesion forces. The model will be combined with tailored experiments in which tumor spheroids are uniaxially compressed by atomic force microscopy (AFM). By comparing the force response to numerical results, the relative contributions of single cell rheological properties and cell-cell interactions can be deciphered, hence bridging the scales from single cell to tissue level mechanics. Validations will include systematic modulation of cell mechanics and adhesion by cytoskeletal drugs and genetic modifications. Finally, the model will be applied to the mechanical analysis of clinical tumor organoids and first data will be provided that can be correlated to clinical parameters. As a result, the method will not only lead to a deeper understanding of relevant parameters contributing to tumor mechanics, but enable a more profound use of single cancer cell mechanics as prognostic tool. Moreover, its versatility will be highly suitable towards further applications, e.g. to other tissue types and further developments towards the modeling of tumor growth. Mehr Informationen.
Beteiligter Mitarbeiter
Zeitraum 2023 – 2026
Sponsor DFG (Antragsnummer AL1705/11-1)
Titel Phasenfeld-Modellierung biologischer Zellen in Strömung
Projektkoordinator Prof. Aland (INMO)
Ziele The stiffness of biological cells can be used to infer useful information on the cell’s phenotype, state and medical condition. Accordingly, measuring cell stiffness is an important part of biological research with diverse applications in biology, biotechnology and medicine. Reliable and fast measurements are only possible by a connection of high-throughput experimental techniques in combination with numerical simulations. In a new and extremely efficient technique (called RT-DC) cells are flushed through a microfluidic channel and camera images of cell deformation provide an indicator for cell stiffness.
To extract the cell mechanical parameters, cell deformation images must be matched with numerical simulations of the process. To this end, we develop new mathematical models to simulate biological cells in flow. Thereby the cell is modeled as a viscoelastic material surrounded by a thin elastic shell cortex, subject to bending stiffness and cortical surface tension. In collaboration with experimentalists, the project results are used for ultra-fast cell diagnostics to detect diseases and to evaluate new medical treatments. Mehr Informationen.
Beteiligter Mitarbeiter Marcel Mokbel
Zeitraum 2021– 2024
Sponsor DFG (Antragsnummer AL1705/3-2)
Titel Deaktivierung von Corona-Viren auf strukturierten Oberflächen
Projektkoordinator Dr. Simmchen (TU Dresden), Prof. Aland (INMO)
Ziele Transmission of the coronavirus can occur under very different conditions, besides person to person spread aerosols, or very small droplets play an important role, especially in crowded indoor spaces. These respiratory droplets can also land on innate objects, creating fomites (contaminated surfaces) that can form a further source of infection. This project aims to create surfaces, that photocatalytically deactivate coronaviruses and other pathogens to increase the general safety in indoor spaces. We address this by numerical simulations of virus-laden droplets on complex surface topographies. Mehr Informationen.
Beteiligter Mitarbeiter Luise Zieger, Paul Auerbach
Zeitraum 2021 – 2022
Sponsor Volkswagen Stiftung (grant to Dr. Simmchen)
Titel Viscoelastic Dynamics of the Cell Cortex
Projektkoordinator Prof. Aland (INMO), Dr. Fischer-Friedrich (TU Dresden)
Ziele The membrane of biological cells is supported by a thin underlying network of microscopic filaments. These filaments are intertwined and attached to each other by proteins, making the membrane resilient against deformation. This network is called the cortex of the cell. It gives the cell membrane an elastic property, making it return to its original shape after being deformed. However, for long lasting deformations, the membrane shows fluidic properties. For prolonged deformation, the proteins connecting the filaments change position. This changes the cortex and with it, the shape of the cell membrane. To simulate the mechanics of both properties we construct the first numerical model of a visco-elastic surface. The model can be used for realistic simulations of cell mechanics and pave the way for a better understanding of cell shape regulation, cortical pattern formation and surface flows during cell division. Mehr Informationen.
Beteiligter Mitarbeiter Eloy de Kinkelder
Zeitraum 2019 – 2026
Sponsor DFG (Antragsnummer AL1705/6-1)
Titel AFM Simulation biologischer Zellen
Projektkoordinator Prof. Aland (INMO)
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Beteiligter Mitarbeiter Lucas Wittwer
Zeitraum 2018 – 2021
Sponsor SMWK
Titel Machine Learning in Parameter Estimation in Geophysics
Projektkoordinator O. Rheinbach (INMO)
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Beteiligte Mitarbeiter O. Rheinbach, S. Kost (INMO), K. Spitzer (Geophysik)
Zeitraum 2019 – 2021
Sponsor SMWK (Antragsnummer 100376434)
Titel EXASTEEL-2 - From Micro to Macro Properties
Projektkoordinator O. Rheinbach (INMO)
Ziele In the project EXASTEEL algorithms and software are developed for the computational simulation of advanced high strength steels, incorporating phase transformation phenomena at the microscale. The target platform are future supercomputers at the exascale. To accomplish this goal, new ultra-scalable, robust algorithms and solvers are developed and incorporated into a new application software for the simulation of this three dimensional multiscale material science problem. A direct multiscale approach (FE^2) is combined with new, highly efficient, nonlinear parallel solver algorithms. For the latter algorithms, a hybrid algorithmic approach is be taken, combining nonoverlapping parallel domain decomposition (FETI) methods with efficient, parallel multigrid preconditioners.
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Beteiligte Mitarbeiter O. Rheinbach, F. Eckhofer, S. Köhler (INMO)
Zeitraum 2016 – 2020
Sponsor DFG SPPEXA, Geschäftszeichen RH 122/3-2, Projektnummer 230723766
Titel EXASTEEL - Bridging Scales for Multiphase Steels
Projektkoordinator O. Rheinbach (INMO)
Ziele Mehrskalen-Simulation von Mehrphasenstahl durch Kombination von direkten Mehrskalenverfahren mit schnellen, parallelen iterativen Lösungsverfahren auf Basis von Gebietszerlegungsverfahren und Algebraischen Mehrgitterverfahren.
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Beteiligte Mitarbeiter O. Rheinbach, F. Eckhofer, S. Köhler (INMO)
Zeitraum 2013 – 2016
Sponsor DFG SPPEXA, Geschäftszeichen RH 122/2-1
Titel SPP 1962: Nichtglatte Systeme und Komplementaritätsprobleme mit verteilten Parametern: Simulation und mehrstufige Optimierung
Projektkoordinator M. Hintermüller (Humboldt-Universität zu Berlin)
Lokaler Koordinator S. Dempe
Teilthema Theoretische und numerische Analysis von Optimalsteuerproblemen mit zwei Entscheidungsebenen
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Beteiligte Mitarbeiter S. Dempe (NMO), G. Wachsmuth (TU Chemnitz / BTU Cottbus-Senftenberg), U. Prüfert (NMO), P. Mehlitz (DMA / BTU Cottbus-Senftenberg )
Zeitraum 2016 - 2022
Sponsor DFG, Geschäftszeichen DE 650/10 - 1 und DE650/10-2
Titel Räumliche Optimierung als Strategie waldbaulicher Bestandsplanung
Lokaler Projektkoordinator S. Dempe (INMO)
Ziele Das Projekt verfolgte das Ziel, den Aufbau rationaler Waldbehandlungskonzepte aus dem Einzelbaumansatz heraus methodisch mit Hilfe der räumlichen Optimierung abzusichern.
Beteiligte Mitarbeiter S. Wagner (TU Dresden), S. Dempe (INMO), I. Herrmann (INMO)
Zeitraum 1. April 2010 – 30. April 2014
Sponsor DFG, Geschäftszeichen DE 650/6-1,2 WA 1515/13-1,2
Titel Lösungsalgorithmen für Zwei-Ebenen-Optimierungsaufgaben
Lokaler Projektkoordinator S. Dempe (INMO)
Ziele Das Hauptziel des Projektes besteht in der Entwicklung von speziell auf die Lösung von Zwei-Ebenen-Optimierungsaufgaben zugeschnittenen Algorithmen, wobei insbesondere die Möglichkeit nicht eindeutiger optimaler Lösungen in der unteren Ebene beachtet werden soll.
Beteiligte Mitarbeiter S. Dempe (INMO), S. Franke (INMO)
Zeitraum 2014 – 2016
Sponsor DFG, Geschäftszeichen DE 650/7-1
Titel DFG D-A-CH Project Domain-Decomposition-Based Fluid-Structure-Interaction (FSI) Algorithms (second phase)
Lokaler Projektkoordinator O. Rheinbach (INMO)
Ziele Parallele Fluid-Struktur-Interaktion in Arterien unter Verwendung von nichtlinearen polykonvexen anisotropen Materialmodellen für die Struktur. Es werden sowohl stark gekoppelte segregierte als auch monolithische Kopplungsverfahren betrachtet. Verschiedene Diskretisierungsverfahren
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Beteiligte Mitarbeiter Oliver Rheinbach, Friederike Röver (INMO)
Zeitraum 2016 – 2020
Sponsor DFG, Geschäftszeichen RH 122/5-2, Projektnummer 214421492
Titel DFG D-A-CH Projekt Domain-Decomposition-Based Fluid-Structure-Interaction (FSI) Algorithms
Lokaler Projektkoordinator O. Rheinbach (INMO)
Ziele Parallele Fluid-Struktur-Interaktion in Arterien unter Verwendung von nichtlinearen polykonvexen anisotropen Materialmodellen für die Struktur. Es werden sowohl stark gekoppelte segregierte als auch monolithische Kopplungsverfahren betrachtet. Verschiedene Diskretisierungsverfahren
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Beteiligte Mitarbeiter Oliver Rheinbach, Nicole Grigoleit (INMO)
Zeitraum 2014 – 2016
Sponsor DFG, Geschäftszeichen RH 122/4-1
Titel Stochastic Galerkin Methods: Fundamentals and Algorithms
Projektkoordinator Oliver Ernst (INMO)
Ziele Entwicklung schneller Löser für stochastische Galerkin-Verfahren zur Lösung von partiellen Differentialgleichungen mit zufälligen Koeffizienten; Untersuchung der Konvergenz von polynomiellen Chaos-Entwicklungen.
Beteiligte Mitarbeiter Oliver Ernst, Elisabeth Ullmann (INMO)
Antje Mugler, Hans-Jörg Starkloff (Westsächsische Hochschule Zwickau)
Zeitraum 01.08.2008 – 31.07.2011
Sponsor DFG, Geschäftszeichen ER 273/5-1
Titel Numerische Simulation der Ausbreitung transienter elektromagnetischer Felder zur Erkundung des Untergrundes
Projektkoordinator Klaus Spitzer (Institut für Geophysik, TU Bergakademie Freiberg)
Ziele Entwicklung schneller Algorithmen und Software zur numerischen Lösung der quasistationären Maxwell-Gleichungen im Zeit- und Frequenzbereich im Rahmen von geophysikalischen Erkundungsproblemen.
Beteiligte Mitarbeiter Stefan Güttel, Martin Afanasjew, Michael Eiermann, Oliver Ernst (INMO)
Ralph-Uwe Börner, Klaus Spitzer (Institut für Geophysik, TU Bergakademie Freiberg)
Zeitraum 15.08.2006 – 14.08.2009
Sponsor DFG, Geschäftszeichen SP 356/9-2