Eine vollständige Betrachtung der Bewegung und Relaxation weicher Materie, wie beispielsweise von Polymerschmelzen, -lösungen und -netzwerken, reicht von der quantenmechanischen Beschreibung von Bindungsfluktuationen bis zu den makroskopischen viskosen Moden von Elastomeren. Die gleichzeitige Simulation aller Eigenschaften ist unmöglich, sodass drastische Vereinfachungen vorgenommen werden müssen. Beispiele hierfür sind die Betrachtung von Atomen als starre Objekte und die Zusammenfassung mehrere Atome, Monomere oder Kettensegmente zu Superatomen, sogenannten beads. Eine generische, chemisch unspezifische Polymerkette kann durch eine Reihe von mit Federn verbundenen beads in einer vergröberten, mesoskaligen Darstellung modelliert werden. Diese mesoskalige Kette verliert Aspekte der physikalischen Beschreibung ihres detaillierteren Stammmodells. Das resultierende, unphysikalische Verhalten kann korrigiert werden, indem andersskalige Eigenschaften artifiziell in das Modell eingeführt werden. Eine der dazu fähigen Multiskalenmethoden ist die hier vorgestellte Slip-Spring Dissipative-Particle-Dynamics-Methode. Die mesoskalige Dissipative-Particle-Dynamics-Methode erlaubt eine Beschreibung von Polymeren durch ein einfaches Kugel-Feder-Modell. Die Wechselwirkungen der beads sind schwach repulsiv. Durch die weichen Potentiale können sich mehrere beads am selben Ort aufhalten, was ein Durchkreuzen verschiedener Polymerketten ermöglicht. In realen Polymerschmelzen sind die Moleküle durch ihre Nachbarketten eingeschränkt, wobei die topologischen Begrenzungen einen schlauchartigen Freiraum bilden. Die Translationsfreiheitsgrade der Polymerkette werden auf eine kriechende, "reptierende" Bewegung entlang ihrer Hauptachse reduziert. In konventionellen Dissipative-Particle-Dynamics-Simulationen wird dieses Verhalten nicht beobachtet, da die Kette seitlich aus ihrer Begrenzung entweicht. Um die physikalisch korrekte Dynamik wieder herzustellen, muss diese laterale Bewegung eingeschränkt werden. Eine Möglichkeit hierzu bieten artifizielle, entlang der Kette mobile Bindungen, sogenannte slip springs. Die vor einigen Jahren vorgestellte Slip-Spring Dissipative-Particle-Dynamics-Methode wurde erfolgreich zur Untersuchung von Polymerschmelzen und -lösungen eingesetzt. In dieser Arbeit erfolgt eine Erweiterung auf andere Systeme, in denen eine entscheidende Rolle topologischer Wechselwirkungen erwartet wird. Die korrekte Anwendung der Slip-Spring Dissipative-Particle-Dynamics-Methode ermöglicht zudem Einblicke in die Rolle von Verschlaufungen in solchen Systemen.

Ein erstes Ziel ist die Anwendung der Slip-Spring Dissipative-Particle-Dynamics-Methode zur Modellierung von Blitznanofällung. Diese experimentelle Technik zur Herstellung von Nanopartikeln basiert auf dem schnellen Mischen einer Polymerlösung mit einem Nichtlösungsmittel. Durch die Durchmischung kommt es zum Kollaps der Polymerketten und der Fällung der Polymerlösung. In dieser Arbeit werden zwei Studien vorgestellt, die den Kollapse einer einzelnen, isolierten Kette und die Fällung einer Polymerlösung untersuchen. In der ersten Studie wird eine einzelne, lange Kette aus einem gelösten in einen ungelösten Zustand gequencht. Bei der Untersuchung der Kollapstrajektorie werden drei Stufen identifiziert: zunächst kollabiert die Kette in Tröpfchen entlang ihrer ursprünglichen Ausdehnung. Diese Tröpfchen werden durch überschüssige Polymer-beads verbunden. Anschließend werden letztere von den Tröpfchen absorbiert, bis das Molekül die Form einer Perlenkette annimmt. Drittens kollabiert der bis dahin undeformierte Hauptstrang der Kette. Für jede der Stufen wird eine charakteristische Skalierung mit der Kettenlänge identifiziert, die sich, ebenso wie die Kollapstrajektorie, in hervorragender Übereinstimmung mit einem literaturbekannten theoretischen Modell befindet. Gefundene Diskrepanzen können leicht durch das Zusammenwirken verschiedener dissipativer Mechanismen erklärt werden. Im Fall der Polymerfällung wechselwirken die kollabierenden Ketten miteinander und bilden eine netzwerkartige Struktur, in der die Tropfen von stark gestreckten Ketten verknüpft werden. Der Fällungsweg wird unter der Arbeitshypothese untersucht, dass die Stabilität dieser Struktur durch eine unterschiedliche Anzahl an slip springs beeinflussbar ist, sofern topologische Wechselwirkungen eine Rolle spielen. Durch das schnelle Auflösen des zwischenzeitigen Netzwerkes in räumlich getrennte Nanopartikel ohne Einfluss der slip springs kann diese Hypothese jedoch nicht bestätigt werden.

In einer dritten Studie wird die Slip-Spring Dissipative-Particle-Dynamics-Methode zur Untersuchung der topologischen Wechselwirkungen in Elastomeren erweitert. Hier wird eine Wiederherstellung der topologischen Effekte benachbarter Netzwerkstänge durch slip springs beobachtet. Die resultierende Änderung des Beitrags von Verschlaufungen zum Schermodul der untersuchten Netzwerke ist in hervorragender Übereinstimmung mit Referenzsimulationen. Darüber hinaus können die dynamischen Speicher- und Verlustmodule von experimentellen Polyisopren-Kautschuken durch Quervernetzung einer Polymerschmelze vorhergesagt werden, deren Parameter zuvor für die Simulation von (unvernetztem) Polyisopren optimiert wurden. Diese erfolgreiche Erweiterung der Methode auf Netzwerke ermöglicht zukünftige Untersuchungen von Systemen von großem wissenschaftlichen und industriellen Interesse, wie beispielsweise von Netzwerkdefekten und gefüllte Elastomeren.