"Ohne Kat nicht in die Stadt" heißt es ab 2008 in Berlin. Schon heute erleben Autofahrer ohne Katalysator Sanktionen wie eine höhere Kfz-Steuer. Katalytische Konverter vermindern den Ausstoß von giftigen Stickoxiden und Kohlenmonoxid, da die Katalysatoren ihre chemische Umwandlung in weniger schädliche Gase beschleunigen. Eine auf ausschließlich experimentellen Methoden beruhende Entwicklung neuer Katalysatoren nach dem Prinzip "trial and error" erfordert zehntausende von Experimenten - die aus der Computer-Simulation gewonnenen Erkenntnisse erlauben es, diese Experimente gezielt einzusetzen und so die Kosten neuer Entwicklungen bedeutend zu reduzieren.
Einzelne Atome zu beobachten, ist keine leichte Aufgabe. Weil das im Labor nur selten möglich ist, sind der experimentellen Untersuchung atomarer Prozesse natürliche Grenzen gesetzt. Grenzen, die aber überwunden werden können, indem man die quantenmechanischen Prozesse, die man untersuchen will - wie katalytische Reaktionen - rechnerisch, das heißt im "virtuellen Labor" des Computers nachvollzieht, erklärt der Materialphysiker Univ.-Prof. Jürgen Hafner.
Computerunterstützte Simulation
Konkret etwa mit einem Programm, das Ao. Univ.-Prof. Dipl.-Ing. Georg Kresse und seine Mitarbeiter der Arbeitsgruppe Computational Materials Science an der Fakultät für Physik entwickelten: dem "Vienna ab initio Simulation Package" (VASP). Es gilt als das führende Computerprogramm zur quantenmechanischen Simulation von atomistischen Systemen - die Quantenmechanik kommt ins Spiel, weil die Bildung chemischer Bindungen zwischen Atomen (und das Aufbrechen solcher Bindungen) durch quantenmechanische Prozesse zwischen Elektronen und Atomen bestimmt wird. Rund 2500 WissenschafterInnen arbeiten weltweit mit der innovativen Technologie aus Österreich, darunter Elite-Universitäten wie Harvard, Oxford oder das Massachusetts Institute of Technology (MIT) und führende Industrie-Labors wie Intel, Motorola oder Toyota.
Hier wird deutlich, dass die universitären Forschungsschwerpunkte, in dessen Rahmen das von Hafner koordinierte Projekt "Computergestütze theoretische Materialforschung: Multiskalen-Simulation von Materialeigenschaften und Prozessen in Materialien" läuft, aus Bereichen stammen, die bereits exzellente Forschungsleistungen aufweisen. Zugeordnet ist das Projekt gleich zwei Forschungsschwerpunkten: Materialwissenschaften und Rechnergestützte Wissenschaften (Computational Science).
Auf quantenmechanischer Basis
"Auf der Basis quantenmechanischer Gesetzmäßigkeiten berechnen wir zunächst die Wellenfunktionen der Atome und Elektronen und die Kräfte, die zwischen den Atomen herrschen", erklärt Jürgen Hafner: "Daraus leiten wir dann Materialeigenschaften wie die magnetischen Eigenschaften eines Materials oder seine chemische Reaktivität ab und können so Prozesse in Materialien simulieren."
Speed kills
Eine quantenmechanische Simulation komplexer Materialien und Prozesse stellt außerordentliche Anforderungen an die Computerleistung: "Der derzeitige Stand der Rechnerleistung erlaubt es uns, Systeme mit bis zu 1000 Atomen und mehr zu berechnen - das können weltweit nur ganz wenige Forschergruppen", so Jürgen Hafner. Für die Beschreibung von Phänomenen mit langer Reichweite, wo dies nicht ausreicht, müssen die MaterialphysikerInnen aber Modelle verwenden, die größer sind als jene, die sie mit quantenmechanischen Simulationsmethoden berechnen können.
Brücke zwischen quantenmechanischer und realer Welt
Um die Kluft zwischen der Quantenwelt und der realen Welt zu überbrücken, sind manchmal Simulationen für eine Million und mehr Atome notwendig. Hier setzt das neue Forschungsprojekt zur Multiskalen-Simulation an: "Wir wollen die auf quantenmechanischer Basis gewonnenen Erkenntnisse über die Kräfte zwischen Atomen in klassische Kraftfeld-Simulationen einbringen, ums so die Zeit- und Längenskalen, die zwischen den mikroskopischen, quantenmechanischen Vorgängen und der realen Welt liegen, zu überbrücken", so Projektkoordinator Hafner.
Interdisziplinäre Materie
"Wir", das sind neben Jürgen Hafner und Ao. Univ.-Prof. Georg Kresse, beide von der Arbeitsgruppe Computational Materials Science, Univ.-Prof. Christoph Dellago von der Arbeitsgruppe Computational Physics und Ao. Univ.-Prof. Dr. Raimund Podloucky von der Arbeitsgruppe Theoretical Solid State Chemistry. "Die Förderung durch den Forschungsschwerpunkt der Universität Wien ist eine Ermutigung, die Kooperation intern und mit anderen Arbeitsgruppen im Rahmen der Forschungsschwerpunkte Materialwissenschaften und Computational Science zu intensivieren", weiß Jürgen Hafner die verstärkte Zusammenarbeit zu schätzen.
Wissenschaftskolleg
Der Forschungsschwerpunkt ist nicht das einzige institutionelle Arrangement, das die interdisziplinäre Zusammenarbeit zur Schlüsseltechnologie "Computergestützte Materialforschung" fördert. Eine Erfolgsgeschichte schreibt bereits das vor acht Jahren gegründete, FWF-geförderte Wissenschaftskolleg "Computergestützte theoretische Materialforschung" an der Universität Wien und der Technischen Universität Wien. Die über 20 KollegiatInnen und 30 Post-docs brachten es in den ersten sieben Jahren auf über 800 Publikationen. Genau so ein Erfolg in der wissenschaftlichen Fachliteratur kommt den grundlegenden Arbeiten zur VASP-Methode zu, die jede mehr als 3000 Mal in einschlägigen Zeitungen zitiert wurden. (hh)
Beim Projekt "Computergestützte theoretische Materialforschung: Multiskalen-Simulation von Materialeigenschaften und Prozessen in Materialien" unter der Leitung von O. Univ.-Prof. Dipl.-Ing. Dr. Jürgen Hafner handelt es sich um eine Kooperation der Fakultät für Physik und der Fakultät für Chemie. Das Projekt ist zwei universitären Forschungsschwerpunkten zugeordnet: "Materialwissenschaften - Funktionalisierte Materialien und Nanostrukturen" und "Rechnergestützte Wissenschaften".
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