Lehrstuhl für Thermodynamik, Dept. Engineering Physics and Computation, School of Engineering and Design, TUM

NanoLPC: Technik der lichtinduzierten Phasenänderung für neue Prozesse im Nanomaßstab

17.03.2025, Wissenschaftliches Personal

Wir suchen 5 Ph.D. Mitarbeiter (m/w/d), and 2 Postdocs (m/w/d) in Mechanical/NanoMaterials Engineering für ein EU Projekt, TV-L E13, in Vollzeit

Phasenwechsel und industrielle Relevanz

Phasenwechsel wie Verdampfung, Kondensation, Schmelzen und Erstarrung sind Phasenübergang erster Ordnung, bei denen latente Wärme entsteht. Dieses Thema ist altbekannt, hat aber für viele neue Anwendungen an Bedeutung gewonnen. Bei der additiven Fertigung von Metallen sind Schmelzen und Erstarrung die Grundlagen des Druckprozesses, aber die laserinduzierte Verdampfung und die Bildung von Schlüssellochporen, d.h. Porositätsdefekten, sind derzeit ein wesentlicher limitierender Faktor beim Metalldruck. In der Nanomedizin werden verschiedene Nanopartikel für die kontrollierte Verabreichung von Medikamenten und für Therapien eingesetzt, und die durch Laser angeregte, Nanoblasen induzierende Schockwelle ist ein leistungsfähiges Instrument zum Abtragen von glasartigen Trübungen in vivo. Im Bereich der Solarenergienutzung ist die direkte Dampferzeugung/Gasproduktion aus der Masse oder der Oberfläche von Flüssigkeiten eine vielversprechende Technologie zur Steigerung der Solarenergieeffizienz im Zeitalter nach den fossilen Brennstoffen und zur Verbesserung der Erzeugung von sauberem Wasser.

Licht-induzierte Phasenveränderung

Die Grundlagenphysik für diese unterschiedlichen Prozesse ist die lichtinduzierte Phasenänderung (LPC), die auf die starke nichtlineare Wechselwirkung zwischen Licht und absorbierenden Materialien zurückzuführen ist und zu verschiedenen Phasenänderungsphänomenen in unterschiedlichen Größenordnungen führt. Diese unterschiedlichen Prozesse folgen einigen gemeinsamen, daraus resultierenden Pfaden, d.h. die Light-Absorber-Wechselwirkung (LAI) führt zu einem Temperaturanstieg des Absorbers, der eine lokale Phasenänderung hervorruft, und die Wechselwirkung der Phasenänderung mit der Umgebung führt zu verschiedenen Effekten, die entweder bevorzugt oder unerwünscht sind.

Phasenwechsel sind seit langem ein Forschungsthema im Bereich der Thermodynamik und Wärmeübertragung. Zieht man die grundlegenden Prozesse der Phasenumwandlung in Betracht, die von der Keimbildung bis zur starken Kopplung von Wärme- und Massenströmen an der Grenzfläche reichen, stellt die Multiskalennatur immer noch ein vordergründiges Forschungsgebiet mit vielen Herausforderungen dar. LPC fügt durch die Einführung der Multiphysik aufgrund der starken LAIs weitere Komplexitäten hinzu.

Aufgrund dieser Multiskalen-/Multiphysik ist das Verständnis und die Herstellung von LPC für konstruierte Prozesse äußerst schwierig, was von starken nichtlinearen LAI, der Vorhersage größenabhängiger Eigenschaften, falscher Verknüpfung zwischen dem, was auf der Nanoskala und der Massenskala geschieht und transienter NB-Dynamik in Verbindung mit dem Eindringen von Schockwellen bis hin zu den Schwierigkeiten bei der Durchführung von Experimenten im Nanomaßstab reicht, um zuverlässige Messungen zu erhalten, insbesondere unter dem starken Einfluss von Phasenänderungen.

Für technische Anwendungen werden derzeit nur einige empirische Korrelationen/simulierte Gleichungen verwendet, um LPC in verschiedenen Bereichen zu beschreiben. Es besteht ein dringender Bedarf, unser Verständnis des LPC-Prozesses zu verbessern und zuverlässige physikalisch fundierte Werkzeuge zur Vorhersage und zum Reverse Engineering des LPC-Prozesses für neue Anwendungen zu entwickeln.

Ziel und Zielsetzung

In diesem Projekt definieren wir LPC als das verbindende Thema für verschiedene, nicht verwandte, neu entstehende Anwendungen und werden eine systematische Untersuchung des Phänomens der lichtinduzierten Phasenänderung unter multiskaligen und multiphysikalischen Aspekten durchführen. Im Einzelnen werden wir

• mit Hilfe einer LPC-Studie drei grundlegende Prozesse (Licht-Absorber-Wechselwirkung, lichtinduzierte Phasenänderung und durch die Phasenänderung induzierte Wechselwirkungen) zusammenführen,
• eine einzigartige, Physik informierte Multiskalen-Simulationsplattform aufbauen, die durch Multiskalen/ Phasenänderungsexperimente validiert wird, um das grundlegende Verständnis von LPC zu verbessern,
• LPC-Anwendungen in verschiedenen aufstrebenden Branchen entwickeln, von der additiven Fertigung über die Nanomedizin bis hin zur Solarenergie.  

Wichtigste Aufgaben

Wir werden systematische Ansätze entwickeln, um ein grundlegendes Verständnis von NanoLPC unter dem Gesichtspunkt der Multiskalen-Experimente und -Simulationen zu erlangen, nicht nur um das Verständnis von LPC in verschiedenen Maßstäben zu verbessern, sondern auch um eine Reihe von neuen Anwendungen zu unterstützen:

• Aufbau einer lichtinduzierten Multiphysik- und Multiskalen-Phasenwechsel-Simulationsplattform, die es uns ermöglicht, LAI zu erfassen und molekulare Informationen mit makroskopischen Phasen-wechselsimulationen zu verbinden.
• Aufbau eines Multiskalen-LPC-Experimentalsystems, das die Untersuchung des lichtinduzierten Phasenänderungsmechanismus ermöglicht und wertvolle Validierungsdaten für die obige Multiskalen-Modellierung liefert.
• Entwicklung der Anwendung von NanoLPC in der Solarenergie, indem die Kontroverse über die ab-normale Verdampfungsrate grundlegend untersucht wird und die Dampfproduktionsrate simuliert und vorhergesagt wird, um das Design eines optimierten Grenzflächenverdampfers zu unterstützen.
• Entwicklung der Anwendung von NanoLPC in der Nanomedizin durch die Einrichtung eines einzigartigen experimentellen Systems mit mehreren Modellen und funktionalisierten Nanomaterialien zur Untersuchung des Nanoblasenphänomens, unterstützt durch numerische Studien auf mehreren Skalen.
• Entwicklung der Anwendung von NanoLPC in der additiven Fertigung durch die Entwicklung eines Multiskalen-Simulationstools für die „Schlüsselloch“-Dynamik und die Vorhersage der Porenbildung, das für PBF-Anwendungen geeignet ist.

Erwartetes Ergebnis

Durch die Bewältigung der grundlegenden Herausforderungen der Bildung und Kontrolle von LPC und die Entwicklung einer physikalisch informierten Plattform wird nicht nur das Verständnis von LPC im Bereich der Thermodynamik und Wärmeübertragung verbessert, sondern auch das entwickelte Fachwissen in neue Anwendungen übertragen. Es werden viele Durchbrüche erwartet, die über den Stand der Technik hinausgehen, wie z. B. i) die Schaffung einer einzigartigen Multiphysik- und Multiskalen-Simulationsplattform für LPC; ii) die Offenlegung von LPC-Mechanismen durch Multiskalenexperimente mit lokalisierten Temperatur- und Nanoblasen-Dynamikmessungen; und iii) das Reverse Engineering von LPC, um die Solardampfproduktion zu maximieren, die Bildung von „Schlüsselloch“-Poren zu verhindern und Nanoblasen-Schockwelleneffekte zu kontrollieren.

Talentierte Bewerber

Das Projekt eröffnet auch mehrere Stellen für ehrgeizige Forscher (sowohl Postdocs als auch Doktoranden), die sich uns anschließen möchten und an der Spitze dieses spannenden Projekts arbeiten möchten. Wir suchen nach herausragenden/ambitionierten Kandidaten mit starker Expertise/Hintergrund in

• Multiskaliger Kopplung und Simulation
• Experimente zur Wärmeübertragung im Nanomaßstab
• Wechselwirkungen zwischen leichter Materie
• Nukleation und Phasenwechselphysik
• Funktionelle Nanomaterialien und Grenzflächen
• Wärmebezogene Nanomedizin
• Metalldruck und additive Fertigung
• Solare Grenzflächenreaktoren

Was wir bieten

Vergütung nach TV-L West E13 in Vollzeit (40 Stunden pro Woche).

Die TUM verfolgt das strategische Ziel, die Vielfalt ihrer Belegschaft deutlich zu erhöhen. Als Arbeitgeber, der Chancengleichheit fördert, fordert die TUM ausdrücklich zur Bewerbung von Frauen sowie von allen anderen Personen auf, die die Vielfalt in Forschung und Lehre an der TUM erhöhen können. Schwerbehinderte Bewerberinnen und Bewerber werden bei gleicher Eignung bevorzugt berücksichtigt. Internationale Bewerberinnen und Bewerber werden nachdrücklich aufgefordert, sich zu bewerben.

Bewerbung

Professor Wen freut sich auf Ihre aussagekräftigen Unterlagen. Bitte senden Sie Ihre Bewerbung per E-Mail an d.wen@tum.de in einer einzigen PDF-Datei (inklusive Anschreiben, Lebenslauf, Qualifikationsunterlagen, Publikationsliste und ggf. Referenzen).

Für administrative Fragen steht Ihnen das Sekretariat gerne zur Verfügung Tel.: (+49.89.289-16217) oder per Email an office.tfd@ed.tum.de

Wenn Sie sich schriftlich bewerben, reichen Sie bitte nur Kopien offizieller Dokumente ein, da wir Ihre Unterlagen nach Abschluss des Bewerbungsverfahrens nicht zurücksenden können.

Kontakt: Ms. B. Blume / Ms. B. Müller - office.tfd@ed.tum.de

Mehr Information

	Link1	NanoLPC:Phase change and industrial relevance, (Type: image/png, Größe: 741.5 kB) Datei speichern
	Link2	NanoLPC: Light-induced Phase Change, (Type: image/png, Größe: 262.7 kB) Datei speichern