Project
Simulationsmethoden für die Herstellung von und die Sorption an anorganischen Wirtmaterialien

Prof. Dr. Peter Behrens
Institut für Anorganische Chemie
Universität Hannover

Rechnergestützte Simulationen sind seit geraumer Zeit in der Chemie etabliert. Sie unterstützen den Experimentator, bieten eine Hilfestellung bei der Interpretation experimenteller Daten und können helfen, experimentelle Ergebnisse vorherzusagen. Trotz der großen Fortschritte auf den Gebieten der rechnergestützten Chemie und der Hardwareentwicklung ist der Zeitbedarf für die Berechnung von komplexen Systemen mit einer Vielzahl von Atomen weiterhin sehr groß. Der Wunsch nach schnellen Ergebnissen musste in der Vergangenheit meist mit einem höheren Grad an Ungenauigkeit erkauft werden. Dennoch hat sich die Übereinstimmung der durch Rechnungen erhaltenen Observablen mit den experimentellen Ergebnissen bis heute durch schnellere Rechner und ausgefeiltere Methoden immer weiter verbessert.

Materialien mit einer definierten Porosität im Nanometerbereich besitzen vielfältige und wichtige Anwendungen bei der Sorption von Molekülen. Ein Ziel der Arbeiten ist es, Sorptionsphänomene auch komplexer organischer Moleküle an Zeosilen und strukturierten Kieselgelen theoretisch nachzuvollziehen. Die porösen Materialien bilden sich im allgemeinen im Rahmen strukturdirigierender Synthesen, bei denen organische Moleküle die Kondensationsreaktion des anorganischen Gerüsts im wässrigen Milieu beeinflussen. Für die zum Siliciumdioxid führende Kondensation von Kieselsäuren sollen theoretische Modellsysteme erarbeitet und strukturdirigierende Effekte untersucht werden.

Die für die Simulation ausgewählten Systeme sind somit sehr komplex. Bisher gab es für die Simulation von anorganischen Wirtmaterialien und die Sorption von organischen oder anorganischen Molekülen zwei Ansätze; entweder wurden kleine Fragmente der Wirtstrukturen zur Simulation mit hochwertigen ab-initio- und DFT-Methoden verwendet oder Kraftfeld-basierte Programme kamen zum Einsatz. Kraftfeld-basierte Programme müssen sich in Ihrer Genauigkeit vermehrt an den Ergebnissen semiempirischer, aber auch der auf der Dichte-Funktional-Theorie basierenden Programmen messen lassen, da diese in starkem Maße von der fortschreitenden Hardwareentwicklung profitieren. Im Rahmen dieses Projektes soll geprüft werden, in wie weit sich Ergebnisse aus "ab initio"-, DFT-, semiempirischen und Kraftfeld-Rechnungen vergleichen lassen und in wie weit die Richtigkeit auf Kosten einer schnelleren Berechnung abnimmt. Das Optimum beider bestimmt daher die Wahl der zu verwendenden Methode.