Die Wechselwirkung zwischen einem Polymer und einer festen Oberfläche ändert die Polymereigenschaften in der Nähe der Oberfläche (der so genannten Interphase) relativ zu denen der reinen Polymerphase. Eine eindeutige Erklärung für die Ursachen dieser Änderung der Polymereigenschaften steht noch aus. Das Ziel meiner Doktorarbeit war die Untersuchung der mechanischen Eigenschaften von Nanokomposit Materialien sowie die Analyse der Polymereigenschaften in der Interphase im Fall einer strukturellen Deformation. Simulationen vom „coarse-grained“ Typ wurden an einem Modellsystem durchgeführt, das aus einem Silikat- Nanoteilchen in einer ataktischen Polystyrol (PS) Matrix besteht. In diesem Fall sind molekulare Details nur in dem kleineren Bereich der Interphase wichtig. Im restlichen Polymervolumen entsprechen die Eigenschaften denen der reinen Polymerphase und können mit den Methoden der Kontinuumsmechanik beschrieben werden. Aus diesem Grund bietet es sich an, den kleinen „interessanten“ Polymerbereich mit einem Molekular-Dynamik (MD) Ansatz zu beschreiben und den „großen Rest“ kontinuumsmechanisch zu behandeln. Um dies zu ermöglichen, haben wir eine neue Hybridmethode für Polymere entwickelt, die eine molekulare Beschreibung mit einem Ansatz der Kontinuumsmechanik kombiniert. In diesem Modell wird der zentrale Bereich einer Simulationszelle molekulardynamisch beschrieben. Er ist von einem Kontinuum umgeben, das mit einem Finite- Element (FE) Ansatz beschrieben wird. Nach meinem besten Wissen ist die vorliegende Arbeit der erste Versuch, MD und FE Methoden zur Beschreibung von Polymeren zu kombinieren. Die Entwicklung einer solchen Methode war das zentrale Ziel meiner Arbeit. Die Kopplung einer MD und einer FE Methode erfordert eine Reihe von Änderungen sowohl im MD als auch im FE Bereich (Referenz: reine MD und FE Simulation). Die Einleitung meiner Arbeit gibt einen kurzen Überblick über bestehende Hybrid- Simulationen sowie über die Schritte, die notwendig sind, zwei Domänen zu koppeln. Die Probleme bei der Kopplung dieser Domänen werden beschrieben, ebenso der Informationstransfer zwischen ihnen sowie das Erreichen eines stationären Zustands (Equilibrierung) im Kontinuum. In diesem Teil meiner Arbeit gebe ich einen Überblick über die verschiedenen Koppel-Methoden, beschreibe ihre Vor- und Nachteile sowie Methoden, technische Probleme bei der MD-FE Kopplung zu lösen. Wie bereits angedeutet, waren diese Methoden auf Flüssigkeiten und kristalline Festkörper beschränkt. Um sie für Polymere einsetzen zu können, ist eine Reihe von Änderungen notwendig. In meiner Arbeit beschreibe ich die Probleme, die im Fall der MD-FE Kopplung in der MD Domäne auftreten sowie Ansätze zur Problemlösung. Die Änderungen, die im FE Bereich notwendig sind wurden von Wissenschaftlern des Lehrstuhls für angewandte Mechanik der Universität Erlangen-Nürnberg durchgeführt. Die vorliegende Arbeit erforderte eine intensive Zusammenarbeit mit Ihnen, um ein modifiziertes MD Verfahren in eine FE Beschreibung zu integrieren. Im zweiten Kapitel dieser Doktorarbeit werden die mechanischen Eigenschaften einer reinen Polystyrol-Matrix sowie einer Polystyrol-Matrix mit einem Silikat-Nanoteilchen mithilfe von MD Simulationen in einer „coarse-grained“ Auflösung untersucht. Die Spannungs- Dehnungs-Kurven von Polystyrol wurden für eine Reihe von Temperaturen über- und unterhalb des Glas-Übergangs berechnet. Young-Module von Polystyrol auf Basis solcher Spannungs-Dehnungs-Kurven wurden sowohl mit experimentellen Daten als auch mit Simulationen in atomarer Auflösung verglichen. Durch ein Studium der lokalen Segment-Orientierung und der lokalen Struktur des Polymers nahe der Oberfläche der Nanoteilchen in Gegenwart einer geometrischen Deformation konnten wir zeigen, dass das Polymer hier steifer ist als in der reinen Polymerphase. Die Dicke der Interphase konnte ermittelt werden. Wir konnten zeigen, dass Young-Module der untersuchten Nonokomposit-Materialien mit zunehmendem Volumenanteil der Nanoteilchen ansteigen. Ergebnisse dieser Interphasen-Analyse in Gegenwart von räumlichen Deformationen sind wichtige Eingabe-Parameter für die FE Simulationen des vorgestellten Hybrid-Modells; dies wird im vierten Kapitel erläutert. In den hier vorgestellten Hydrid-Simulationen können die üblichen periodischen Randbedingungen bei MD Rechnungen nicht verwendet werden, da der MD Bereich von dem FE Kontinuum umgeben ist. Deshalb haben wir einen neuen nicht-periodischen Ansatz im Rahmen stochastischer Randbedingungen (SBC) ausgearbeitet, der einen Informations-Austausch (Kräfte und Auslenkungen) zwischen beiden Domänen zulässt und Artefakte in der berechneten Dynamik minimiert. Im SBC Ensemble werden Hilfsteilchen, so genannte Ankerpunkte, in der Grenzregion zwischen MD und FE Bereich eingeführt. Diese Ankerpunkte sind harmonisch an die realen MD Teilchen gekoppelt. Sie haben eine wichtige Funktion im Informationstransfer zwischen MD und FE Bereich. Die Teilchen in der Kopplungsregion bewegen sich nach den Gesetzen einer dissipativen Teilchendynamik, um die Dissipation von Energie und die Thermostatisierung der Simulation zu ermöglichen. Das Prinzip der stochastischen Randbedingungen wird im dritten Kapitel näher erläutert. Die Leistungsfähigkeit dieser Randbedingungen bei Simulationen wurde am Beispiel von Polystyrol in einer „coarse-grained“ Auflösung in Gegenwart nicht-periodischer und gewöhnlicher periodischer Randbedingungen gezeigt. Eine exzellente Übereinstimmung zwischen beiden Verfahren wurde für thermodynamische, geometrische und dynamische Eigenschaften gefunden. Eine ausführliche Beschreibung des neuen Hybrid-Verfahrens auf Basis molekularer und kontinuumsmechanischer Ansätze ist im Kapitel vier zu finden. Aufgrund der großen Unterschiede in den Zeitschritten in beiden Domänen, MD und FE, haben wir eine „gestaffelte Kopplungsprozedur“ verwendet, in der das Kontinuum statisch, der MD Bereich aber dynamisch behandelt wird. Die Arlequin-Methode wurde für die statische Kopplung der MD und FE Bereiche verwendet. Der Informationsaustausch zwischen beiden Bereichen geschieht in einer Kopplungsregion, in der sich die bereits erwähnten Ankerpunkte befinden. In der Kopplungsregion gelten sowohl die Gesetze für MD Simulationen als auch diejenigen, die für eine Kontinuumsbeschreibung relevant sind. Die Gesamtenergie ergibt sich aus einem „Mischen“ von MD und FE Energien. Ataktisches PS sowie ein PS-Silikat Komposit wurden in einer „coarse-grained“ Auflösung simuliert, um die Leistungsfähigkeit der neuen Hybrid-Methode zu demonstrieren. Abweichungen zwischen Daten aus der Hybrid-Methode und FE Simulationen wurden für Eigenschaften wie „Reaktionskräfte“ oder „Cauchy-Spannung“ berechnet. Die Ursachen für die erhaltenen Abweichungen wurden näher erläutert. Im fünften Kapitel dieser Doktorarbeit werden die Ergebnisse noch einmal zusammengefasst. Dabei werden Möglichkeiten diskutiert, das vorgestellte Hybrid-Verfahren für zukünftige Anwendungen zu erweitern. Stärkere Materialdeformationen sind hier nur ein Beispiel.