Forschung
- Wir erforschen die Mechanik und Physik von Oberflächen und Grenzflächen.
- Wir entwickeln Berechnungsmethoden für das Verhalten von Materialien.
- Wir kombinieren atomistische Ansätze mit Kontinuumsmodellierung und Datenanalyse.
- Wir bewegen uns auf Längenskalen vom Ångström bis Armlänge.
Durch unser Wissen unterscheiden wir uns nur wenig,
in unserer grenzenlosen Unwissenheit aber sind wir alle gleich.
Karl R. Popper
Kontaktmechanik und Adhäsion
Die Rauheit von Oberflächen bestimmt maßgeblich, wie Festkörper miteinander in Kontakt treten. Selbst scheinbar ebene Oberflächen berühren sich nur an den höchsten Erhebungen ihrer Topografie. Dadurch ist die tatsächliche Fläche, über die ein enger atomarer Kontakt besteht, sehr viel kleiner als die scheinbare Kontaktfläche.
Wir entwickeln theoretische und rechnergestützte Modelle zur Beschreibung der Kontaktmechanik rauer Oberflächen und überprüfen diese in enger Zusammenarbeit mit experimentell arbeitenden Forschungsgruppen.
Zu unseren Arbeiten gehört unter anderem der erste direkte Vergleich elastisch-plastischer Kontaktmodelle mit experimentellen Messungen realer Kontaktflächen. Darüber hinaus haben wir eine parameterfreie Theorie zur Adhäsionshysterese weicher Kontakte entwickelt. Sie erklärt, warum zum Trennen eines Kontakts eine größere Kraft erforderlich sein kann als zu dessen Herstellung.
Unsere früheren Arbeiten zur Adhäsion im Bereich partieller Kontakte führten zudem zu einem heute als Pastewka-Robbins-Kriterium bekannten Kriterium für das Einsetzen von Adhäsion.
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Contact between rough surfaces and a criterion for macroscopic adhesion
Lars Pastewka, and Mark O. Robbins
Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 111, 3298-3303 (2014)
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Elastic shakedown and roughness evolution in repeated elastic–plastic contact
Lucas Frérot, and Lars Pastewka
Tribol. Lett. 72, 23 (2024)
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Why soft contacts are stickier when breaking than when making them
Antoine Sanner, Nityanshu Kumar, Ali Dhinojwala, Tevis D B Jacobs, and Lars Pastewka
Sci. Adv. 10, eadl1277 (2024)
Tribologie: Reibung, Verschleiß und Schmierung
Ein grundlegendes Verständnis von Reibung und Verschleiß auf atomarer Ebene ist entscheidend, um langlebige und zuverlässige mechanische Systeme zu entwickeln.
Mithilfe von Molekulardynamiksimulationen und sorgfältig entwickelten interatomaren Potentialen konnten wir den Mechanismus des Diamantverschleißes aufklären: An der gleitenden Kontaktfläche kommt es zunächst durch Scherung zu einer Amorphisierung des Diamants. Anschließend wird das Kohlenstoffmaterial durch Oxidation in Form von CO oder CO₂ abgetragen.
Unsere Arbeiten liefern damit eine der bislang detailliertesten atomistischen Beschreibungen von Verschleiß für ein beliebiges Material.
Diese Erkenntnisse übertragen wir auch auf geschmierte Kontakte. Dabei kombinieren wir durch maschinelles Lernen gewonnene Stoff- und Materialgesetze mit kontinuumsmechanischen Modellen. So schlagen wir eine Brücke zwischen Molekulardynamiksimulationen und technischen Simulationen im größeren Maßstab, insbesondere für Grenz- und Mischreibung.
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Active learning for nonparametric multiscale modeling of boundary lubrication
Hannes Holey, Peter Gumbsch, and Lars Pastewka
Sci. Adv. 11, eadx4546 (2025)
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Anisotropic mechanical amorphization drives wear in diamond
Lars Pastewka, Stefan Moser, Peter Gumbsch, and Michael Moseler
Nat. Mater. 10, 34-38 (2011)
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Toward a continuum description of lubrication in highly pressurized nanometer-wide constrictions: The importance of accurate slip laws
Andrea Codrignani, Stefan Peeters, Hannes Holey, Franziska Stief, Daniele Savio, Lars Pastewka, Gianpietro Moras, Kerstin Falk, and Michael Moseler
Sci. Adv. 9, eadi2649 (2023)
Modellierung & Simulation von Materialien
Wir entwickeln und nutzen atomistische Simulationsmethoden, um das Verhalten von Materialien unter mechanischer Belastung zu untersuchen. Dabei beschäftigen wir uns unter anderem mit reaktiven interatomaren Potentialen, die das Aufbrechen chemischer Bindungen realistisch beschreiben, mit der Dynamik von Versetzungen in Hochentropielegierungen sowie mit den viskoelastischen Eigenschaften amorpher Materialien.
Unsere Open-Source-Simulationswerkzeuge, darunter matscipy, stellen der wissenschaftlichen Gemeinschaft effiziente Implementierungen von Algorithmen für Bruch- und Kontaktmechanik sowie für elektrochemische Prozesse auf atomarer Ebene zur Verfügung.
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Constitutive relations for plasticity of amorphous carbon
Richard Jana, Julian Lautz, S Mostafa Khosrownejad, W Beck Andrews, Michael Moseler, and Lars Pastewka
J. Phys. Mater. 3, 035005 (2020)
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Surface lattice Green’s functions for high-entropy alloys
Wolfram G Nöhring, Jan Grießer, Patrick Dondl, and Lars Pastewka
Modelling Simul. Mater. Sci. Eng. 30, 015007 (2022)
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matscipy: materials science at the atomic scale with Python
Petr Grigorev, Lucas Frérot, Fraser Birks, Adrien Gola, Jacek Golebiowski, Jan Grießer, Johannes L Hörmann, Andreas Klemenz, Gianpietro Moras, Wolfram G. Nöhring, Jonas A. Oldenstaedt, Punit Patel, Thomas Reichenbach, Thomas Rocke, Lakshmi Shenoy, Michael Walter, Simon Wengert, Lei Zhang, and James R. Kermode
J. Open Source Softw. 9, 5668 (2024)
Datenbasierte Oberflächenforschung
Um aus Messungen von Oberflächentopografien wissenschaftliche Erkenntnisse zu gewinnen, sind robuste statistische Methoden entscheidend. Wir treiben die Entwicklung von contact.engineering voran, einer frei zugänglichen Plattform zur Analyse und zum Austausch von Daten zur Oberflächenstruktur.
Die Plattform wird inzwischen von mehr als 480 Wissenschaftlerinnen, Wissenschaftlern und Ingenieurinnen und Ingenieuren genutzt. Gemeinsam haben sie bereits mehr als 19.500 Messungen beigetragen.
Um die Reproduzierbarkeit in der Oberflächenmesstechnik zu verbessern, haben wir außerdem die Surface Topography Challenge initiiert, an der sich schon über 60 Forschungslabore weltweit beteiligt haben.
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Contact.engineering—Create, analyze and publish digital surface twins from topography measurements across many scales
Michael C Röttger, Antoine Sanner, Luke A Thimons, Till Junge, Abhijeet Gujrati, Joseph M Monti, Wolfram G Nöhring, Tevis D B Jacobs, and Lars Pastewka
Surf. Topogr.: Metrol. Prop. 10, 035032 (2022)
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Scale-dependent roughness parameters for topography analysis
Antoine Sanner, Wolfram G. Nöhring, Luke A. Thimons, Tevis D.B. Jacobs, and Lars Pastewka
Appl. Surf. Sci. Adv. 7, 100190 (2022)
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The surface-topography challenge: A multi-laboratory benchmark study to advance the characterization of topography
A. Pradhan et al.
Tribol. Lett. 73, 110 (2025)
Simulationsmethoden
Effiziente numerische Verfahren sind eine wichtige Voraussetzung für Simulationen über verschiedene Längenskalen hinweg. Wir entwickeln FFT-basierte solver für mechanische Probleme in heterogenen Materialien, unter anderem für Kontakt- und Bruchmechanik sowie für die Homogenisierung von Metamaterialien.
Unsere Spektralverfahren ermöglichen Simulationen mit einer Auflösung, die mit herkömmlichen Finite-Elemente-Methoden nur mit unverhältnismäßig hohem Rechenaufwand möglich wäre.
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An optimal preconditioned FFT-accelerated finite element solver for homogenization
Martin Ladecký, Richard J. Leute, Ali Falsafi, Ivana Pultarová, Lars Pastewka, Till Junge, and Jan Zeman
Appl. Math. Comput. 446, 127835 (2023)
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Elimination of ringing artifacts by finite-element projection in FFT-based homogenization
Richard J. Leute, Martin Ladecký, Ali Falsafi, Indre Jödicke, Ivana Pultarová, Jan Zeman, Till Junge, and Lars Pastewka
J. Comp. Phys. 453, 110931 (2022)
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Green’s function method for dynamic contact calculations
Joseph M. Monti, Lars Pastewka, and Mark O. Robbins
Phys. Rev. E 103, 053305 (2021)