Arbeitsgruppe Computational Chemistry

Computersimulationen von chemischen Systemen können sowohl für die Material- als auch für die Wirkstoffentwicklung ein tiefes Verständnis des mikroskopischen Verhaltens liefern. Die gewonnenen Detailkenntnisse können zur Berechnung vielfältiger physikalischer wie auch chemischer Eigenschaften genutzt werden, die eine Optimierung von Produkten oder Prozessen ermöglichen. Hierbei konzentrieren wir uns auf sogenannte "weiche Materie", die im Gegensatz zu Festkörpern fließendes Verhalten zeigt.
Innerhalb dieses Themenfeldes beschäftigt sich die Arbeitsgruppe auf Basis einer geschickten Kombination verschiedener Längen- und Zeitskalen mit Fragestellungen der Analyse bis hin zur Steuerung von Stoffverhalten. Beispielsweise werden Gase, Flüssigkeiten oder Polymere in vielfältiger Weise untersucht. Sowohl quantenmechanische Methoden (QM) als auch klassische molekulardynamische (MD) Methoden auf (voll-)atomistischer oder mesoskopischer Ebene kommen zur Anwendung.

Aktuelle Forschungsthemen

  • Entwicklung eines Software-Pakets zur semi-automatischen Optimierung von Kraftfeldern (COFFE = Comprehensive Optimization Force-Field Environment)
  • Modellierung und Optimierung transdermaler therapeutischer Systeme
  • Untersuchung der Löslichkeit von Gasen in ionischen Flüssigkeiten
  • Coarse Graining von Polymeren zur Ermittlung von Materialkennwerten für die Finite-Elemente Simulation 
  • Optimierung intramolekular Kraftfeldparameter mittels quantenmechanischer Berechnungen

Methoden, Kompetenzen und Anwendungen

Auf kürzester Zeit- und Längenskala werden quantenmechanische Methoden angewendet. Hierüber können beispielsweise Parameter zur Optimierung von Kraftfeldern, wie sie in der klassischen molekulardynamischen Simulation auf (voll-)atomistischer Ebene zum Einsatz kommen, bestimmt werden. Die atomistische MD Simulation bildet den Kern der in der Forschungsgruppe eingesetzten Methoden. Ergänzt wird diese durch die Technik des Mesoscale Coarse Graining (CG). Das Coarse Graining ermöglicht die simulierte Zeit und die Größe chemischer System wesentlich zu erhöhen, in dem das atomistische, voll detaillierte System auf ein vergröbertes, "mesoskopisches"Niveau abgebildet wird.

Aufgrund der Beschäftigung der Forschungsgruppe mit Simulationsmethoden auf unterschiedlichen Ebenen ergibt sich eine Vielzahl an Systemen und Anwendungsfeldern die bearbeitet werden:

  • Gase und Flüssigkeiten mit niedrigem Molekulargewicht
  • Ionische Flüssigkeiten
  • Polymere in der Schmelze 
  • Weitere Anwendungen an herausfordernde industrielle Problemstellungen

Neben der eigentlichen Anwendung der zur Verfügung stehenden Methoden steht auch die Weiterentwicklung dieser bzw. von zugehörigen Simulationsprogrammen im Fokus: 

  • Workflow für die (semi-)automatische Kraftfeldentwicklung für chemische Verbindungen
  • Automatisierte Optimierung von Kraftfeldern in der Molekularen Modellierung
  • Entwicklung neuer Methoden und Werkzeuge für Simulationen "Weicher Materie"

Labore

Die Simulationen werden auf dem Rechencluster der Hochschule Bonn-Rhein-Sieg durchgeführt. Eine effiziente Implementierung der Methode sowie eine effektive Parallelisierung ermöglichen leistungsfähige Berechnungen, die hochauflösende Simulationen erlauben.

Lehre

 

Ausgewählte / Neue Publikationen

  • K. N. Kirschner, W. Heiden, D. Reith: "Small Alcohols Revisited: CCSD(T) Relative Potential Energies for the Minima, First-and Second-Order Saddle Points, and Torsion-Coupled Surfaces", ACS Omega 3 (1), 419-432 (2018). 
  • S. Knauer, M.R. Schenk, T. Köddermann, D. Reith, P. Jaeger: "Interfacial Tension and Related Properties of Ionic Liquids in CH4 and CO2 at Elevated Pressures: Experimental Data and Molecular Dynamics Simulation", J. Chem. Eng. Data 62, 2234-2243 (2017).
  • K. N. Kirschner, W. Heiden, D. Reith: "Relative electronic and free energies of octane's unique conformations", Molecular Physics 115, 1155-1165 (2017).
  • M. Hülsmann, K. N. Kirschner, A. Krämer, D. D. Heinrich, O. Krämer-Fuhrmann, D. Reith: "Optimizing Molecular Models Through Force Field Parameterization via the Effcient Combination of Modular Program Packages", Foundations of Molecular Modeling and Simulation, 53-77, Springer (2016). 
  • A. Krämer, M. Hülsmann, T. Köddermann, D. Reith: "Automated parameterization of intermolecular pair potentials using global optimization techniques", Computer Physics Communications 185, 3228-3239 (2014)

Kooperationspartner

  • Department of Chemical Engineering and Materials Science, University of California Davis (Prof. Dr. Roland Faller) 
  • Institut für Integrierte Naturwissenschaften, Universität Koblenz (Prof. Dr. Wolfgang Imhof)
  • Institut für Prozess- und Verfahrenstechnik, Technische Universität Berlin (Prof. Dr. Jadran Vrabec)
  • Institut für Simulationstechnik und Wissenschaftliches Rechnen, Universität Siegen (Prof. Dr.-Ing. Sabine Roller)
  • Max-Planck-Institut für Polymerforschung, Mainz (Prof. Dr. Kurt Kremer, Dr. Torsten Stühn)