Computergestützte Modellierung chemischer Prozesse in Ultraschallbädern

• Antragsteller: Professor Dr. Tim Neudecker
• Fachliche Zuordnung: Theoretische Chemie: Elektronenstruktur, Dynamik, Simulation ; Theoretische Chemie: Moleküle, Materialien, Oberflächen
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 494533951

Ultraschallbäder werden in vielen chemischen Laboren zur Zerkleinerung und Mischung von Substanzen verwendet. Darüber hinaus erfreut sich ein interessanter Zweig der Chemie, die sog. Sonochemie, in der chemische Reaktionen durch Ultraschall initiiert werden, wachsender Beliebtheit. Zwar ist bekannt, dass Moleküle in Ultraschallbädern mechanischen Scherkräften sowie Temperaturen von mehreren tausend Kelvin und Drücken von über eintausend Atmosphären ausgesetzt sind, jedoch existiert bis heute keine computergestützte Methode, um das Verhalten von Molekülen in Ultraschallbädern zu simulieren. Aus diesem Grund sind viele der grundlegenden Mechanismen der Aktivierung chemischer Reaktionen in Ultraschallbädern bis heute nicht verstanden. Im Experiment ist es daher schwierig, neue sonochemische Reaktionen basierend auf theoretisch begründbaren Überlegungen zu planen und zu optimieren.In diesem Projekt wird eine computergestützte Methode zur Simulation von Molekülen in Ultraschallbädern entwickelt. Der Fokus liegt zunächst auf Polymeren, da Ultraschallbäder eine etablierte Methode zum Zerreißen von Polymersträngen darstellen und infolgedessen viele experimentelle Beobachtungen, gegen die die neue Methode getestet werden kann, in der Literatur beschrieben wurden. Im weiteren Verlauf des Projekts werden auch ultraschallinduzierte Reaktionen in der organischen Chemie simuliert.Zur Beschreibung von Molekülen in Ultraschallbädern werden sowohl klassische Molekulardynamik (MD) als auch Born-Oppenheimer Molekulardynamik (BOMD) Simulationen sowie statische Elektronenstrukturrechnungen verwendet. Zusätzlich zur expliziten klassischen Simulation eines Polymerstrangs, den eine für Ultraschallbäder typische Schockwelle durchfährt, wird im Laufe des Projekts auf etablierte Methoden zur Simulation von Molekülen unter externen mechanischen Kräften sowie hoher Temperatur und hohem Druck zurückgegriffen. In der BOMD wird z.B. mechanische Kraft durch die EFEI (engl. External Force is Explicitly Included) Methode und Druck durch die X-HCFF (engl. eXtended Hydrostatic Compression Force Field) Methode simuliert. Durch geeignete Kombination dieser Faktoren sowie durch explizite Propagation der Moleküle in der Zeit werden die chemischen Prozesse in Ultraschallbädern realistisch simuliert. Ziel ist es, bspw. die Punkte, an denen Polymere in Ultraschallbädern reißen, zu reproduzieren und experimentell beobachtete Reaktionsprodukte in der organischen Sonochemie korrekt vorherzusagen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen