Molekulare Simulation der Säure-induzierten Auflösung von Kristallen

• Antragsteller: Professor Dr. Dirk Zahn
• Fachliche Zuordnung: Theoretische Chemie: Moleküle, Materialien, Oberflächen ; Festkörper- und Oberflächenchemie, Materialsynthese
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 415210974

Die Methoden der molekularen Simulation zur Keimbildung und dem Wachstum von Kristallen haben in den vergangen 10 Jahren einen beachtlichen Fortschritt erfahren. Im Gegensatz hierzu liegen erheblich weniger Arbeiten zu Auflöseprozessen vor. Dies gilt insbesondere für die Säure-induzierte Auflösung von Festkörpern, deren Modellierung mit den derzeit verfügbaren Ansätzen kaum zugänglich ist. Dies liegt an einer Reihe von Herausforderungen, welche zugleich adressiert werden müssen. Für die Modellierung von Protonentransferreaktionen bedarf es quanten-chemischer Ansätze, wodurch sich einen im Vergleich zur klassischen Molekülmechanik deutlich höheren Rechenaufwand ergibt. Ein Ausweichen auf kleinere Systeme und kürzere Zeitskalen widerspricht jedoch der Anforderung nach statistischer Signifikanz. Um die Mechanismen der Kristallauflösung zu verstehen, müssen eine Vielzahl von Protonierungsschritten an hinreichend großen Oberflächenmodellen studiert werden. Die Simulation muss dabei so effektiv sein, dass die Ausbildung von Einkerbungen und die Ablösung von Stufen zugänglich werden. Im vorliegenden Projekt soll dies durch eine Umgestaltung der Kawska-Zahn Methode erfolgen. Letztere erfüllt vergleichbare Anforderungen derzeit im Bereich der Keimbildung und des Kristallwachstums. Die neuen Entwicklungen sollen zum einen eine schnelle Vorhersage möglicher Akzeptorstellen und eine besonders effiziente gemischt quantenchemisch/molekülmechanischen Modellierung von Protonierungs¬reaktionen ermöglichen. Darüber hinaus können Trajektorien einer Vielzahl von Ablöseereignissen bis hin zur Auflösung von nm-skaligen Schichten Rechnung tragen, um ein vollständiges mechanistisches Verständnis des Gesamtvorgangs zu ermöglichen. Die methodischen Arbeiten sollen anhand von zwei recht unterschiedlichen Anwendungsklassen vorangetrieben werden. In Anlehnung an aktuelle Fragestellungen wurden hier die Auflösung von Calciumcarbonat (Kalkentfernung z.B. im Sanitärbereich), Calciumphosphat (Knochenumbildung) und Molekülkristalle (Aufnahme von Medikamenten über den Magen) jeweils in wässriger Umgebung in Abhängigkeit vom pH Wert ausgewählt.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen