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Prof. Dr.-Ing. Dierk Raabe

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Multiskalen-Modellierung

Komplexe Materialien – DNA-Moleküle bis hin zu Stahlrümpfen von Öltankern – lassen sich mit Hilfe von Computersimulationen untersuchen. Viele wichtige chemische und physikalische Prozesse finden dabei auf der Quantenebene statt, aber auch auf größeren räumlichen und zeitlichen Skalen. Multiskalen-Modellierung führt diese verschiedenen Ebenen zusammen und verhilft so zu einer genauen Beschreibung und realistischen Vorhersagen bei Materialien und Prozessen.

Sie sind die heimlichen Protagonisten unseres Alltags: Rohstoffe wie Eisenerz, Biomaterialien wie die Proteine in unserem Körper oder funktionelle Materialien in elek­tronischen Geräten. Doch die Ingenieure und Materialwissenschaftler von heute sind anspruchsvoll – sie wollen die Eigenschaften unterschiedlichster Stoffe noch gezielter den jeweiligen Anforderungen anpassen. Dazu müssen sie diese zunächst besser verstehen.

Ob es um neue Halbleitertechnik für leistungsfähigere Computer geht, um haltbarere Knochenimplantate oder schlicht darum, die Korrosion von Metallen zu verhindern (Rost ist ein Sicherheitsrisiko und verursacht enorme volkswirtschaftliche Kosten!) – in all diesen Fällen müssen Forscher die Eigenschaften von Materialien schnell und präzise ermitteln. Der klassische Weg ist das Experiment. Computersimulationen haben inzwischen allerdings eine Alternative eröffnet, da sich virtuelle Versuchsreihen meist leichter und kostengünstiger durchführen lassen1.

Noch aber sind sie kein Universalwerkzeug: Die vielfältigen Prozesse, welche die Eigenschaften von Materialien ausmachen, sind mathematisch oft schwer zu fassen, denn sie spielen sich auf unterschiedlichen räumlichen und zeitlichen Skalen ab2,3. Das Rosten etwa beruht auf den Bewegungen von Elektronen, die in Billionsteln von Sekunden ablaufen. Die erste Rostschicht auf einem Metall bildet sich freilich erst nach Minuten. Und bis der Rost zerstörerisch wirkt, vergehen mitunter Jahre oder gar Jahrhunderte.

Bei der computergestützten Materialwissenschaft geht es daher um mindestens vier Ebenen: Auf der Quantenskala liefern Modellrechnungen exakte Beschreibungen davon, wie sich die Elektronen der Atome verhalten. Darauf beruhen chemische Bindungen, und diese wiederum bringen die Materialeigenschaften hervor. Sie zu berechnen, ist hochkomplex und stets nur für wenige hundert Atome möglich3,4,5.

Auf dem atomaren Niveau simuliert die Molekulardynamik die Bewegung von Millionen Atomen und Molekülen, die gemäß den Gesetzen des Elektromagnetismus miteinander wechselwirken. Auch hier stoßen Wissenschaftler an Grenzen: So lassen sich typischerweise nur Vorgänge von einigen milliardstel Sekunden Dauer modellieren.

Auf der mesoskopischen Skala wiederum geht es um Ensembles von Tausenden von Atomen, die durch Durchschnittswerte etwa ihrer Dichte, elektrischen Ladung oder Temperatur repräsentiert sind. Das vereinfacht die Berechnungen so weit, dass sich Prozesse in Zeiträumen von milliardstel bis millionstel Sekunden modellieren lassen.

 
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