Automatisierte Analyse und Validierung interatomarer Potentiale für Anwendungen in den Materialwissenschaften

• Antragsteller: Professor Dr. Ralf Drautz; Professor Dr. Jörg Neugebauer
• Fachliche Zuordnung: Computergestütztes Werkstoffdesign und Simulation von Werkstoffverhalten von atomistischer bis mikroskopischer Skala
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 405621217

Die strukturelle und chemische Komplexität von Werkstoffen bedingt Modellierungszugänge für die Beschreibung und Vorhersage von Eigenschaften auf der atomaren Skala, welche von der interatomaren Wechselwirkung bis zur Beschreibung der Mikrostruktur reichen. Die Unterschiedlichkeit der Längenskalen in atomistischen Simulationen hat zu großen Unterschieden in der Modellierung der interatomaren Wechselwirkung geführt, von komplexen Näherungen des Vielteilchenproblems zu einfachen empirischen Potentialen. Dabei ist oft nicht klar, welche Eigenschaften von verschiedenen Modellen konsistent vorhergesagt werden und welche nicht.Wir planen die Entwicklung und Implementierung von transparenten und umfassenden Validierungsverfahren für Modelle der interatomaren Wechselwirkung. Dafür wollen wir experimentelle sowie insbesondere mit Dichtefunktionaltheorie berechnete Referenzdaten heranziehen. Wir planen die Validierung einer Vielzahl von interatomaren Potentialen und werden für die Durchführung einer großen Anzahl von Rechnungen einen automatisierten Workflow sowie eine geeignete Datenbank entwickeln. Dabei planen wir automatisierte Berechnungen für eine große Anzahl von Strukturen mit Dichtefunktionaltheorie mit einer kontrollierten, hohen Genauigkeit und für verschiedene Parameterisierungen des Austauschkorrelationsfunktionals.Die interatomaren Potentiale sollen zunächst für grundlegende Materialeigenschaften validiert werden, wie beispielsweise Kohäsionsenergien, elastische Eigenschaften, Phononenspektren und Bildungsenergien von Punktdefekten. In einem zweiten Schritt sollen abstrakte Maße zur Abschätzung der Transferabilität der interatomaren Potentiale entwickelt werden, welche auf geeigneten Deskriptoren fußen und es erlauben werden, die Potentialeigenschaften in einem niedrigdimensionalen Raum zu erfassen.Um die Eigenschaften der verschiedenen interatomaren Potentiale geeignet darstellen zu können, werden wir eine Webseite (atomistictools.org) entwickeln, welche einen interaktiven Vergleich von Potentialen und Dichtefunktionaltheorie-Referenzdaten ermöglicht. Mithilfe der Webseite können andere Wissenschaftler unsere Ergebnisse direkt in ihre Arbeit aufnehmen. Beispielsweise ist die Bewertung eines interatomaren Potentials der erste Schritt in jedem atomistischen Simulationsprojekt. Wir erwarten daher, dass unsere Webseite und Ergebnisse anderen Wissenschaftlern dabei helfen wird, Projekte schneller und effizienter durchzuführen.Der vorliegende Antrag ist Teil einer Kollaboration zum Thema Modellierung der interatomaren Wechselwirkung in den Materialwissenschaften. Wir arbeiten eng mit anderen Projekten zu Entwicklung und Anwendung von interatomaren Potentialen zusammen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen