GRK 2450:  Maßgeschneiderte Multiskalenmethoden für Computersimulationen von nanoskaligen Materialien

• Fachliche Zuordnung: Theoretische Chemie ; Chemische Festkörper- und Oberflächenforschung ; Informatik ; Materialwissenschaft ; Mathematik ; Molekülchemie ; Philosophie ; Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung seit 2019
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• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 389000774

Der Erfolg der modernen Materialwissenschaft, Physik und Chemie beruht weitgehend auf dem Verständnis und der Anpassung der atomaren Zusammensetzung von anorganischen und organischen Materialien sowie biologischen Systemen. Experimentelle Methoden werden zunehmend durch theoretische Ansätze ergänzt, die einen noch nie dagewesenen Einblick in die Eigenschaften von Werkstoffen und deren Kontrolle ermöglichen, was den Kern der Entwicklung neuer funktioneller Werkstoffe darstellt. Die Anwendungsbereiche decken ein breites Spektrum von Themen ab, von der Mechanik und neuen Materialien für elektronische Geräte bis hin zu Festkörperoberflächenreaktionen und biologischen Strukturen. Die Zusammensetzung der Materialien auf atomarer Ebene bestimmt die Eigenschaften im großen Maßstab und ihre zeitliche Dynamik. Daher müssen Modellierungs- und Simulationsansätze, die bei der Unterstützung experimenteller Bemühungen auf den verschiedenen beteiligten Skalen erfolgreich sein sollen, erweitert werden, um einen integrierten Simulationsansatz zu bieten, der es ermöglicht, das Verhalten meso- und makroskopischer Systeme auf der Grundlage atomistischer Details vorherzusagen. Von zentraler Bedeutung ist das Verständnis und die Kontrolle der chemischen Zusammensetzung, die die Eigenschaften auf mesoskopischer und makroskopischer Ebene beeinflussen. Umgekehrt können makroskopische Eigenschaften einen erheblichen Einfluss auf die Prozesse auf atomarer Ebene haben. Die derzeitigen Multiskalenmethoden erfassen diese Interdependenz oft nur teilweise. Mit Hilfe von Kontinuumsmodellen in der Quantenchemie lässt sich z. B. der Einfluss der Umgebung auf molekulare Eigenschaften, wie optische Lücken, leicht berechnen. Meso- und makroskalige Prozesse laufen jedoch auf sehr unterschiedlichen Zeitskalen ab, die auf der Mikroebene nicht dargestellt werden können. Darüber hinaus sind Standard-Multiskalenmethoden auf die Zeitskalen beschränkt, die für den genauesten Ansatz zugänglich sind, und können daher nicht erfassen, wie makroskopische Eigenschaften auf längeren Zeitskalen Prozesse auf molekularer Ebene steuern, ein Problem, das wir ‚enslavement‘ nennen. Viele Probleme weisen eine inhärente Rekursivität auf, da sie Prozesse auf verschiedenen Zeit- und/oder Längenskalen koppeln. Diese Kopplung hat sich als hartnäckige Schwierigkeit für viele aktuelle Multiskalenmethoden herausgestellt. Das zentrale Ziel dieses Graduiertenkollegs ist es, Lösungen für rekursiv gekoppelte Multiskalenprobleme zu finden, die auf das jeweilige wissenschaftliche Problem zugeschnitten sind.

• DFG-Verfahren: Graduiertenkollegs
• Antragstellende Institution: Karlsruher Institut für Technologie
• Beteiligte Institution: Albert-Ludwigs-Universität Freiburg; Heidelberger Institut für Theoretische Studien (HITS)
• Sprecher: Professor Dr. Marcus Elstner
• beteiligte Wissenschaftlerinnen / beteiligte Wissenschaftler: Professorin Dr. Karin Fink; Professor Dr. Martin Frank; Professor Dr. Pascal Friederich; Professorin Dr. Frauke Gräter; Professor Dr. Peter Gumbsch; Professorin Dr. Rafaela Hillerbrand; Privatdozent Dr. Sebastian Höfener; Dr. Mariana Kozlowska; Dr. Tomas Kubar; Professor Dr. Lars Pastewka; Professor Dr. Alexander Schug; Professor Dr. Felix Studt; Professor Dr. Wolfgang Wenzel