Mikromodellierung

Mikromodellierung bezeichnet die Entwicklung mathematischer oder numerischer Modelle, die Phänomene auf mikroskopischer Skala abbilden. Im Gegensatz zur Makromodellierung zielt sie darauf ab, Strukturen, Interaktionen und Prozesse auf der Ebene einzelner Bausteine, Moleküle oder Zellen zu verstehen. Solche Modelle helfen, Mechanismen zu erklären, die das makroskopische Verhalten beeinflussen, und finden Anwendung in der Materialwissenschaft, Biologie, Chemie sowie in der Mikro- und Nanotechnik. Typische Fragestellungen betreffen Diffusion, Reaktionskinetik, Phasenwechsel in Mikrostrukturen sowie das mechanische Verhalten von Mikrostrukturen.

Zu den gängigen Methoden gehören räumlich diskrete Ansätze wie Molekulardynamik (MD) und Monte-Carlo-Simulationen, die Teilchen- oder Molekülinteraktionen direkt abbilden, sowie kontur- oder feldbasierte Modelle wie Phase-Field-Methoden, Lattice-Boltzmann-Verfahren und mikroskopische Finite-Elemente-Modelle. In vielen Anwendungen wird die Mikromodellierung auch mit Multiskalenansätzen kombiniert, die mikroskopische Ergebnisse mit makroskopischen Modellen koppeln.

Die Validierung erfolgt oft durch hochauflösende Experimente und Bildgebungsverfahren wie Elektronenmikroskopie oder Tomographie sowie durch vergleichende Messungen. Zentrale Herausforderungen sind der hohe Rechenaufwand, Unsicherheiten in Parameterwerten und Materialeigenschaften sowie die Überführung von Mikromodellierungsergebnissen in großskalige Vorhersagen.

Aktuelle Trends umfassen die Nutzung von GPUs und Hochleistungsrechnen, datengetriebene Ansätze und Maschinelles Lernen zur Beschleunigung von Simulationen oder zur Parametrisierung, sowie verbesserte Multiskalenverfahren, die mikroskopische Daten direkt in Modelle einfließen lassen.