Nichtgleichgewichts‐Molekulardynamik: Computer‐Simulationen von Transportprozessen und Analyse der Struktur von einfachen Fluiden

Wir wollen daher zur Naturerklärung den Inbegriff einer außerordentlich großen Zahl sehr kleiner, in steter Bewegung begriffener, den Gesetzen der Mechanik unterworfener Urindividuen wählen. (L. Boltzmann, über statistische Mechanik, Vortrag St. Louis, USA, 1904) Die Erklärung und Berechnung makroskopischer Eigenschaften der Materie aus den mikroskopischen Eigenschaften der sie aufbauenden Teilchen ist eine zentrale Aufgabe der Physik. Die zu ihrer Lösung entwickelten analytischen Methoden der Kinetischen Gastheorie oder allgemeiner: der Statistischen Physik wurden mit der Verfügbarkeit leistungsfähiger Computer in den letzten beiden Jahrzehnten zunehmend durch numerische Methoden ergänzt. Die als „Molekulardynamik” und „Monte Carlo” bezeichneten Verfahren erfüllen Wunschvorstellungen, von denen die großen „Statistiker” des 19. Jahrhunderts, Boltzmann, Maxwell und Gibbs, geträumt haben. In der Fluidphysik dienen Molekulardynamik‐Computersimulationen heute als „Quasi‐Experimente” z. B. zum Test von mikroskopischen Modellen über Nichtgleichgewichtsphänomene. Die Güte solcher Simulationsrechnungen zeigt sich beim Vergleich mit der Theorie und dem realen Experiment. Ausgehend von Ergebnissen, die einem solchen Vergleich standgehalten haben, eröffnet die Computersimulation sogar die Möglichkeit, in Parameterbereiche (z. B. hoher Druck, hohe Scherrate) vorzudringen, die im realen Experiment nur schwierig oder gar nicht erreicht werden können. Im folgenden werden Methoden und Ergebnisse der Molekulardynamik, insbesondere der Nichtgleichgewichts‐Molekulardynamik, bei der Untersuchung von Transportprozessen und der Struktur einfacher Fluide beschrieben.