Computersoftware auf Basis der Quantentheorie
Wissenschaftler wenden die Quantentheorie täglich an, um das Verhalten von Computerbauteilen, Lasern, Chemikalien und Nanomaterialien aller Art zu verstehen und vorherzusagen. Jedoch wurde erst vor Kurzem möglich, die Quantenmechanik auf die rechnergestützte Materialwissenschaft anzuwenden, in der regelmäßig Systeme aus zehntausenden oder mehr Atomen behandelt werden. Im EU-finanzierten Projekt QUASINANO (Quantum-mechanical simulations for the nanoscale) kamen die Industrie und die akademische Welt zusammen, um innovative Verfahren auf Basis der Quantentheorie zu entwickeln, welche Materialmodelle simulieren, die im Nanomaßstab 10.000 Atome enthalten. Ein parameterbasiertes approximales Verfahren der Dichtefunktionaltheorie (dichtefunktionalbasierte enge Bindung) wurde eingesetzt, um den größten Teil des Periodensystems abzudecken und durch Verbesserung der Elektronendichte genauere Informationen zur elektronischen Struktur und den spektroskopischen Eigenschaften zu liefern. Universalparameter zur Messung elektronsicher Bandstrukturen wurden erzeugt und validiert. Hochmoderne mathematische Tools zur Optimierung der Parameter und Berechnung der Repulsionsenergie wurden ebenso geprüft und implementiert. So wurde es erstmals möglich, mithilfe dieser hocheffizienten Technik jedes beliebige Material zu behandeln. Des Weiteren wurden die Methode in kommerzielle ADF-Software integriert und ermöglicht dort die Behandlung von Molekülen, Oberflächen, Feststoffen und jedem anderen nanostrukturierten System. Softwareentwicklungen, die auf bestehenden ADF-Funktionen aufbauen, wurden durchgeführt. Die Methoden und die Software wurden in die bestehende ADF-Softwaresuite eines kleinen bis mittleren Unternehmens eingegliedert und bei herausfordernden nanowissenschaftlichen Umweltanwendungen eingesetzt. Zur Verbreitung der Projektergebnisse wurden zwei internationale Workshops in Deutschland und den Niederlanden abgehalten. Etwa 50 wissenschaftliche Arbeiten wurden in expertengeprüften Fachzeitschriften veröffentlicht. Durch das QUASINANO-Projekt wurden Wettbewerbsfähigkeit und Marktposition der quantentheoriebasierten Computersoftware in Europa verbessert. Die ADF-Modellierungssuite wird Wissenschaftlern nun ermöglichen, die herausforderndsten Forschungsfragen der rechnergestützten Materialwissenschaft wirksamer in Angriff zu nehmen.
Schlüsselbegriffe
Quant, Computersoftware, Materialwissenschaft, quantenmechanische Simulationen, Dichtefunktionaltheorie
