Simulanten beim Experiment: Neue Wege zu neuen Werkstoffen

24. Juni 2002, 19:37
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Der klassische Laborversuch hat ausgedient -zumindest bei quantenmechanischen Systemen

Wien - Angenommen, ein Materialwissenschafter wollte eine chemische Reaktion auf einem Katalysator untersuchen. "Dann würde das klassische Laborexperiment so aussehen: Man gibt auf der einen Seite die Ausgangsprodukte zum Katalysator in einen Reaktor und misst auf der anderen Seite die Verteilung der Endprodukte", erzählt Jürgen Hafner, Physiker an der Universität Wien.

Was das Laborexperiment jedoch niemals verraten kann: Wie läuft eine chemische Reaktion tatsächlich ab? Und: Wie verhalten sich die Verbindungen auf atomarer Ebene?

Antworten auf Fragen dieser Art sind von enormer Bedeutung für verschiedenste industrielle Prozesse, von der Herstellung von Hightech-Werkstoffen für die Mikroelektronik bis zur Entgiftung von Abgasen.

Solche Antworten erhält man aber nur, wenn man Quantenphänomene berücksichtigt. Wo das Laborexperiment versagt, kommt heute das Computerexperiment ins Spiel: Chemische Reaktionen werden auf atomarer Skala modelliert und simuliert, quantenmechanische Berechnungen über die Interaktion zwischen Atomen und Molekülen angestellt.

Schrödinger für viele

So kann man in den Computergestützten Materialwissenschaften (Computational Material Sciences) quasi einzelne Atome beobachten und manipulieren. "Im Prinzip läuft es darauf hinaus, die Schrödinger-Gleichung für sehr viele Teilchen zu lösen", erläutert Jürgen Hafner, der in Wien das Zentrum für Computational Material Sciences (CMS) leitet.

Diese Grundgleichung der Quantenmechanik beschreibt das Verhalten der Teilchen in quantenmechanischen Systemen. Für ein Wasserstoffatom, das aus einem Proton und einem Elektron besteht, ist sie noch relativ einfach zu lösen, aber schon bei drei Teilchen wird die Berechnung ungemein komplex.

Monatelang rechnen

"Für einige wenige Teilchen ist eine exakte Lösung zumindest noch vorstellbar", erklärt Jürgen Hafner, "wir untersuchen aber Systeme mit mehr als tausend Elektronen." Etwa einen Ausschnitt einer Katalysatoroberfläche, der Hunderte Metallatome beinhaltet, und Kohlenmonoxid-Moleküle, die an dieser Oberfläche mit Sauerstoff zu ungefährlichem Kohlendioxid reagieren. Bei dieser Größenordnung sind nur noch numerische Berechnungen möglich, also Näherungsverfahren im Gegensatz zu exakten Lösungen. Und obwohl die Programme die vorhandenen Computerstrukturen optimal nutzen, sind monatelange Rechenzeiten keine Seltenheit.

Ausgeklügelte Algorithmen sind notwendig, damit die unvermeidlichen Rundungsfehler des Computers sich nicht fortpflanzen. Das "virtuelle CMS-Forschungszentrum" (Hafner) ist eigentlich ein gemeinnütziger Verein, dem Physiker und Chemiker der Institute für Materialphysik und für Physikalische Chemie der Uni Wien sowie der Institute für Allgemeine Physik und für Theoretische Physik der Technischen Universität Wien angehören. Der Wissenschaftsfonds unterstützt das Zentrum durch das "Wissenschaftskolleg Computational Material Science", vor allem indem er Dissertantenstellen finanziert.

Zu Beginn dieses Jahres wurde das Kolleg auch dadurch ausgezeichnet, dass es als Marie-Curie-Trainingscenter der EU anerkannt wurde. Dort werden auch ausländische Studenten geschult.

Die Wiener Forscher haben mit VASP (Vienna ab-initio Software Package) ein Programm geschaffen, dessen Lizenznehmerliste sich wie ein Who's who der Mikroelektronikindustrie liest: Von Motorola bis Sony, von Sanyo bis Intel arbeiten praktisch alle Giganten der Branche mit der Wiener Software.

Auch die metallverarbeitende und chemische Industrie sowie Unis in Europa, den Vereingten Staaten und Japan gehören zu den rund 400 Abnehmern. "Wer auf diesem Gebiet Grundlagenforschung betreibt, tut das im Bereich atomistischer Simulationen mittlerweile sehr oft mit unseren Methoden", berichtet Hafner stolz.

So vielfältig die Anwendungsgebiete der CMS auch sind - die Ergebnisse sind nicht von heute auf morgen umsetzbar. "Frühestens nach acht bis zehn Jahren gehen sie in den Markt ein", weiß Hafner. Darin sieht er auch eine Ursache dafür, dass die österreichische Industrie - im Gegensatz zur ausländischen - wenig Interesse an Kooperationen zeigt: "Weil hierzulande kaum industrielle Grundlagenforschung betrieben wird." (Kirsten Commenda/DER STANDARD, Print-Ausgabe, 25. 6. 2002)

Der klassische Laborversuch hat ausgedient. Zumindest bei quantenmechanischen Systemen. Physiker "beobachten" heute schon einzelne Atome bei chemischen Reaktionen mittels Computersimulation - eine Schlüsseltechnologie für die Materialwissenschaft.
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    Am Anfang stand die Idee von den Orbitalen

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