Nanoskalige Materialien mit maßgeschneiderten Eigenschaften
Nanomaterialien weisen Strukturen auf der Ebene von Atomen und Molekülen auf, die ihnen neuartige Eigenschaften verleihen, welche bei größeren Partikeln derselben chemischen Zusammensetzung nicht festzustellen sind. Die Notwendigkeit, verschiedene Längenskalen, Verhalten sowie klassische Effekte und Quanteneffekte zu beschreiben, macht die Modellierung zu einer großen Herausforderung. Als Antwort auf dieses Problem wurde das EU-finanzierte Projekt "Modeling of nano-scaled advanced materials intelligently" (MONAMI) ins Leben gerufen. Es hat die Entwicklung von Multiskalenmodellen zum Materialverhalten auf der Elektronen- sowie der atomaren, mesoskopischen und makroskopischen Ebene zum Ziel. Die Modelle dienten der Erforschung und Vorhersage des Materialverhaltens u. a. in Bezug auf den Nanomagnetismus, die korrelierte Elektronenstruktur und die Ungleichgewichtsphänomene. Auf der Elektronenskala lassen sich anhand quantenmechanischer Methoden das Verhalten von Elektronen und ihre Beziehungen zu Struktur und Funktion eines Materials beschreiben. Moleküle, kleine Partikel oder Quantenpunkte werden als Ansammlung einiger weniger interagierender Elektronen modelliert. Bei Hunderten bis Tausenden von Atomen wie in großen Molekularstrukturen oder Nanoröhren verknüpfen Wissenschaftler das Beste aus der Elektronenstrukturtheorie und der Vielteilchenphysik zu einer integrierten dynamischen Molekularfeldtheorie (DMFT). Um das Verhalten von Nanosystemen auf atomarer Ebene zu beschreiben, simulieren verschiedene auf klassischer und molekularer Mechanik basierende Tools das Verhalten von Materialien auf Skalen von Nanometern bis Mikrometern unabhängig vom quantenelektronischen Verhalten. Auf mesoskopischer Ebene geht man von schnellen Detailinformationen über atomare Bewegungen zu grobkörnigen Modellen der wesentlichen Bewegungen und großen Strukturen über. Das entwickelte grobkörnige Modell wird anhand der atomaren Simulationsdaten jedoch so aufgebaut, dass die wichtigen Strukturinformationen der atomaren Ebene über das Modell auf die entsprechende grobkörnige Darstellung übertragen werden. Da 1.000 Atome nur etwa 2 Nanometer lang sind und die meisten interessanten Transportphänomene sehr viel größere Längen betreffen, setzten die Wissenschaftler schließlich eine neue Methode zur Erforschung dieser Phänomene bei größeren Längen ein. Diese Methode wurde im Rahmen des Projekts für Modelle der makroskopischen Größenordnung entwickelt, die das Bulk-Verhalten gefertigter Materialien beschreiben. MONAMI lieferte komplexe, integrierte Multiskalenmodelle von Nanomaterialien und Nanosystemen und wendete sie auf verschiedene Materialien an, die wahrscheinlich einen maßgeblichen Einfluss auf künftige Produkte und Geräte haben werden. Eine umfassende Darstellung der Materialeigenschaften von der Bulk-Ebene bis hin zur Elektronenebene wird für die Entwicklung neuer Funktionalitäten unabdingbar sein.
