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Department Chemie
Dynamics of Condensed Matter (DCM)
Prof. Dr. Thomas D. Kühne
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Forschungsschwerpunkte

Forschungsschwerpunkte

Dynamics of Condensed Matter (DCM) Group

Chemische und physikalische Vorgänge sind untrennbar mit großen Längen- und Zeitskalen verbunden. Eine zumindest teilweise quantenmechanische Beschreibung eines solch vielatomigen Systems ist nur in wenigen Ausnahmefällen mit analytischen Methoden möglich. Stattdessen ist eine statistisch-mechanische Behandlung mit quantenmechanischen Methoden notwendig, die dann mit Hilfe moderner Großrechner gelöst werden kann. Die Hauptaufgabe liegt darin, numerische Methoden zu entwerfen und implementieren, die durch geschickte Approximationen eine möglichst effiziente Lösung erlauben, aber gleichzeitig die Chemie und Physik des ursprünglichen Systems korrekt wiedergeben. Unser Hauptaugenmerk liegt jedoch nicht nur in der alleinigen Entwicklung neuer Simulationsmethoden, sondern gleichzeitig auch auf der Bearbeitung relevanter Fragestellungen der Chemie, Biophysik und Materialwissenschaften. Insbesondere befassen wir uns mit der Untersuchung wasserstoffreicher Systeme in kondensierten Phasen (Flüssigkeiten, Festkörper und supramolekulare Systeme). Im speziellen beschäftigen wir uns zur Zeit mit flüssigem Wasser, der Wasseroberfläche und Wasser in eingeschränkten Geometrien, sowie mit biologisch relevanten Reaktionen in Wasserlösung und auf Wasseroberflächen. Des Weiteren befassen wir uns mit wasserstoffreichen Festkörpern wie zum Beispiel Eis und metallischem Wasserstoff bei sehr hohen Drücken.

Methodenentwicklung:

Der aktuelle Schwerpunkt liegt auf der Weiterentwicklung der Ringpolymer-Pfadintegral-Molekulardynamikmethode, insbesondere auf der Simulation von Schwingungsspektroskopiemethoden wie IR, Raman und SFG Spektroskopien. Mit Hilfe des sogennanten "Ringkontraktionsverfahrens" lassen sich mit klassischen Kraftfeldern bereits äusserst komplexe Systeme unter Berücksichtigung der harmonischen und anharmonischen Nullpunktsenergie, sowie quantenmechanischer Tunneleffekte, mit nur sehr geringem konstanten Zusatzaufwand berechnen. Vor Kurzem ist es uns gelungen diese Idee auch auf den von uns entwickelten "Car-Parrinello-like Approach to Born-Oppenheimer Molecular Dynamics" zu erweitern, wodurch Quantenmolekulardynamiksimulationen ohne zusätzlichen rechnerischen Aufwand ermöglicht werden.

Anwendungen:

Die Anwendung der von uns entwickelten Simulationsmethoden auf möglichst relevante Fragestellungen der Physik, Chemie, Biologie und Materialwissenschaften ist oberste Prämisse, einerseits als endgültige Demonstration ihrer Nützlichkeit für das Verständnis und Voraussagen neuer Phänomene und andererseits als Inspiration für neue methodische Entwicklungen. Allgemein befassen befassen sich die aktuellen und geplanten Forschungsvorhaben mit komplexen Systemen in kondensierten Phasen, vor allem jedoch mit Flüssigkeiten sowie mit Festkörpern. Während bei letzteren die kovalenten Bindungen Struktur- und Eigenschaftsbestimmend sind, sind Flüssigkeiten hauptsächlich durch ihre schwachen intra- und intermolekularen Wechselwirkungen charakterisiert.

  

Im Falle von Flüssigkeiten untersuchen wir in meiner Arbeitsgruppe hauptsächlich flüssiges Wasser. Das entsprechende Wasserstoffbrückenbindungsnetzwerk ist ultraschnellen Fluktuationen auf der Femtosekunden-Zeitskala ausgesetzt und spielt eine entscheidende Rolle bei der Stabilisierung von Biomolekülen. Da diese Fluktuationen eine charakteristische Signatur zur Folge haben, welche experimentell zugänglich ist, versuchen wir insbesondere den Zusammenhang zwischen der Dynamik des Wasserstoffbrückenbindungsnetzwerkes und spektroskopischen Meßgrössen zu verstehen. Beispielsweise konnten wir vor Kurzem durch die Kombination der von uns entwickelten Car-Parrinello ab-initio Molekulardynamik und Energie-Dekompositions-Analysemethoden mit XAS-Berechnungen die seit langem offene und umstrittene Frage, ob Wasser zwei- oder vierfach koordiniert ist, abschließend aufklären. Darauf aufbauend beschäftigen wir uns zunehmend mit Wasser in komplexen Geometrien, insbesondere mit der Wasser/Luft Grenzfläche und verstärkt auch mit in niedrigdimensionalen Geometrien eingeschränktem Wasser. Bei Ersterem liegt unser Hauptinteresse darin, die experimentell beobachtete aber bis heute unverstandene Beschleunigung von Reaktionen auf Wasseroberflächen und den entsprechenden Isotopeneffekt aufzuklären, während wir bei Letzterem nach Möglichkeiten suchen durch gezielte Einschränkung die Temperatur des theoretisch vorhergesagten und kontrovers diskutierten kritischen Punktes des potentiellen flüssig/flüssig Phasenübergangs in den experimentell zugänglichen Bereich anzuheben.

  

Darüber hinaus befassen wir uns mit der Untersuchung von kristallinen und amorphen Festkörpern, im speziellen mit wasserstoffreichen Systemen, aber auch mit ungeordneten Gläsern. Theoretische Berechnungen sagen voraus, dass Wasserstoff bei extremen Drücken nicht nur metallisch, sondern potenziell selbst bei Raumtemperatur supraleitend ist. In unserer Forschung versuchen wir nicht nur den Effekt an sich zu verstehen, sondern insbesondere ihn bei niedrigeren Drücken nutzbar zu machen. Diesbezüglich haben wir jedoch kürzlich herausgefunden, dass der bei niedrigeren Drücken stabile molekulare Wasserstoff höchstwahrscheinlich elektrisch isolierend ist und somit die Metallisierung inhärent mit der Dissoziation von Wasserstoffmolekülen einhergeht. Darauf aufbauend untersuchen wir zur Zeit, ob die atomare Quantenfluidphase von Wasserstoff selbst bei Raumtemperatur durch Kernquanteneffekte ausreichend stabilisiert wird und ob diese eventuell bei niedrigeren Drücken supraleitend wird. Da dafür nicht nur Kernquanten-, sondern auch Elektronenkorrelationeffekte essenziell sind, arbeiten wir zudem an einem neuartigen Quanten-Monte-Carlo Verfahren.

  

Im Zusammenhang mit amorphen Gläsern widmen wir uns vor allem der Strukturbestimmung von sogenannten Phasenwechselmaterialien, welche sich wegen ihres hohen optischen, elektrischen und magnetischen Kontrastes ideal als nichtflüchtige Datenspeicher eignen. Da es sich hierbei oft um komplexe Mehrkomponentensysteme handelt, sind empirische Potenziale typischerweise nicht verfügbar, so dass das möglichst langsame Abkühlen mit Hilfe von Car-Parrinello ab-initio Molekulardynamiksimulationen häufig die einzig praktikable Methode darstellt.

  

Gruppenleitung

Prof. Dr. Thomas Kühne

Technische Chemie - Arbeitskreis Kühne

Arbeitskreisleiter

Thomas Kühne
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