Prof. Dr. Martin Brehm erforscht computergestützte Analysen und Vorhersagen von Materialeigenschaften
Wie lassen sich Materialeigenschaften mithilfe von Computern beschreiben und sogar vorhersagen? Das erforscht Prof. Dr. Martin Brehm, der dieses Jahr als Heisenberg-Professor an die Universit?t Paderborn berufen wurde. ?Unser Ziel ist es, Methoden zu entwickeln, die eine zuverl?ssige Vorhersagekraft besitzen – selbst über Substanzen, die noch nie irgendwo auf der Erde hergestellt oder vermessen worden sind“, so der Leiter des neuen Arbeitskreises ?Theoretische Spektroskopie“ an der Universit?t Paderborn. Die renommierte Heisenberg-Professur der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) ist Teil des Heisenberg-F?rderprogramms und bietet Universit?ten einen Anreiz, neue Lebenszeit-Professorenstellen für herausragende junge Wissenschaftler*innen, die bereits alle Voraussetzungen für die Berufung erfüllen, zu schaffen.
Theoretische Chemie trifft Supercomputer
M?glich wird Brehms Forschungsarbeit durch den Einsatz von Quantenchemie. Der Wissenschaftler erkl?rt: ?Das Verhalten mikroskopischer Systeme, zum Beispiel von Molekülen, wird im Rahmen der Quantenforschung vollst?ndig durch die sogenannte Schr?dinger-Gleichung beschrieben. Diese ben?tigt keine Daten über die konkrete Substanz, sondern funktioniert allgemeingültig. Es ist also quasi eine ?Weltformel im Kleinen‘.“ Um die Schr?dinger-Gleichung zu l?sen und so Vorhersagen über bisher unbekannte Substanzen treffen zu k?nnen oder die Reinheit von Produkten zu überprüfen, sind jedoch zahlreiche zeitaufwendige Berechnungen notwendig. Dafür nutzt der Chemiker den Supercomputer ?Noctua 2“ des Paderborn Center for Parallel Computing (PC2) der Universit?t Paderborn.
Mithilfe des Supercomputers arbeitet Brehm daran, Methoden zur Analyse und Prognose von Flüssigkeiten zu entwickeln. ?Für einzelne Moleküle im Vakuum und kristalline Feststoffe gibt es seit Jahrzehnten etablierte Verfahren. Aber Flüssigkeiten sind ungeordnet und auf mikroskopischer Ebene st?ndig in Bewegung. Dort spielen Effekte eine gro?e Rolle, die bisher kaum in den Rechnungen berücksichtigt werden konnten. Genau dort setzen wir an“, so der Wissenschaftler.
Durch besseres Verst?ndnis zu zukunftsweisenden L?sungen
Durch die Grundlagenforschung in Paderborn wollen Brehm und sein Team ein besseres Verst?ndnis der zugrundeliegenden Effekte und Wechselwirkungen schaffen. Wie wichtig diese Methoden für die Praxis sind, zeigen konkrete Anwendungsf?lle. In seiner Forschung konzentriert sich Brehm u. a. auf sogenannte ionische Flüssig?keiten. ?Das ist eine Substanzklasse, die aufgrund ihrer Eigenschaften oft als ?grünes L?sungs?mittel‘ oder ?L?sungsmittel der Zukunft‘ gehandelt wird“, erl?utert der Chemiker. So k?nne man z. B. Cellulose in ionischen Flüssigkeiten aufl?sen, was bisher in kaum einem anderen L?sungsmittel m?glich sei. Das habe etwa das Potenzial, die Papier-Industrie zu revolutionieren: ?Bisher entsteht bei der Papierherstellung sehr viel kontaminiertes Abwasser, was durch die Verwendung ionischer Flüssigkeiten nicht mehr in dem Ma?e der Fall w?re“, betont er.
Damit die neuen computergestützten Methoden auch von anderen Wissenschaftler*innen genutzt werden k?nnen, arbeitet Brehm au?erdem an der Entwicklung entsprechender Software. Durch diese sollen Wissenschaftler*innen weltweit freien und kostenlosen Zugriff auf die in Paderborn entwickelten Methoden erhalten, um bislang offenen Forschungsfragen nachgehen zu k?nnen.
