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Projekt
Kraftfeld-Simulationen von gast-induzierten Öffnungs-Phänomenen
Antragsteller
Professor Dr. Rochus Schmid
Fachliche Zuordnung
Theoretische Chemie: Elektronenstruktur, Dynamik, Simulation
Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien
Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien
Förderung
Förderung von 2016 bis 2024
Projektkennung
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 279409724
Die theoretische Simulation von flexiblen schaltbaren MOFs, insbesondere für den Fall einer großen Zahl innerer Freiheitsgrade, ist immer noch ein schwieriges und unbearbeitetes Problem. Basierend auf das vollständige und ab initio parametrisierte MOF-FF Kraftfeldmodell für die in S1 und S2 synthetisierten säulenbasierten Schicht-MOFs werden im Projekt T2 Molekulardynamik- (MD) und großkanonische MD-Simulationen (GCMD) durchgeführt um die strukturelle Transformation solcher Systeme, stimuliert durch Wärme, Druck oder Gastmolekül-Adsorption, auf molekularer Ebene zu untersuchen. Im Gegensatz zu T1 liegt das Augenmerk auf großen Längen- und Zeitskalen. Jedoch werden in enger Anbindung zu T1 strukturelle Informationen für Elektronenstrukturrechnungen gewonnen, die ihrerseits die Verbindung zu den spektroskopischen Projekten P1 und P2 erlauben. Der in der ersten Förderperiode entwickelte GCMD Ansatz durch thermodynamische Integration (TI) wird erweitert und validiert mit dem finalen Ziel die Trennung kleiner Kohlenwasserstoffe in fu-MOFs mit funktionalisierten flexiblen Seitenketten im Linker zu erklären (QP1, QF1). In einer systematischen Sichtung einer Bibliothek von erweiterten Linkern und/oder Gastmolekülen (S2) mittels MD Simulationen werden spezifische Wechselwirkungen identifiziert, die die Schaltbarkeit beeinflussen (QP4). Zudem dienen diese Daten als Eingabeparameter für quantenchemische Rechnungen von spektroskopischen Eigenschaften durch T1 (QP1). Die methodischen Fortschritte der ersten Förderperiode werden bei der Simulation großer Systeme genutzt. Dies erlaubt die Bildung von Grenzflächen zwischen verschiedenen Phasen und den Einfluss von Oberflächen zu studieren (QP1&3). Zentrale Ziele sind die thermische Öffnung von Nanopartikeln (Abwesenheit von periodischen Randbedingungen) und das adsorptive Schalten eines 2D-periodischen Slabs (S1). Ein weiterer Größenschritt wird durch die Verwendung von in unserer Gruppe entwickelten vergröberten Kraftfeldern erreicht, um korrelierte Phänomene bei strukturellen Transformationen auf einer noch größeren Längenskala zu untersuchen (QP3). Schlussendlich werden die neuen GCMD-Methoden für die Simulation von Flüssigphasen-Adsorption eingesetzt, bei der kurzkettige Alkohole als Solvens fungieren (untersucht in S2). Solche dichten Systeme sind notorisch schwierig für die üblichen GC Monte Carlo Methoden (QP1, QF2).
DFG-Verfahren
Forschungsgruppen
