Molekulardynamiksimulationen und Monte-Carlo-Berechnungen von Protonendynamik in Brennstoffzellenmembranen und Membranproteinen

• Antragsteller: Professor Dr. Daniel Sebastiani
• Fachliche Zuordnung: Theoretische Chemie: Elektronenstruktur, Dynamik, Simulation ; Theoretische Chemie: Moleküle, Materialien, Oberflächen
• Förderung: Förderung von 2009 bis 2019
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 122839674

In diesem Projekt sollen drei miteinander verbundene Hauptziele erarbeitet werden, die unmittelbar an die Ergebnisse der ersten Förderperiode anknüpfen. Zunächst soll eine skalenüberbrückende Methode entwickelt werden, mit der strukturelle Detailinformationen auf der atomaren Skala mit Protonentransportphänomenen auf großen Zeit- und Längenskalen simuliert werden können. Hierzu sollen atomistische und elektronenstrukturbasierte Molekulardynamiksimulationen (MD) mit kinetischen Monte-Carlo-Rechnungen (kMC) verknüpft werden. Speziell soll die Strukturinformation aus den MD-Trajektorien die Basis für die Sprungtolopogie der kMC-Rechnung bilden. Auf der Anwendungsebene soll diese Methode genutzt werden, um neuartige Hochtemperatur-Materialien für Protonenaustausch-Brennstoffzellenmembranen (proton exchange membrane fül cell, PEMFC) zu simulieren, insbesondere um die begrenzten Zeit- und Größenskalen der ab initio-MD-Methodik zu überbrücken.Komplementär hierzu sollen die Entwicklungen aus der ersten Förderperiode im Bereich QM/MM-Capping-Potentiale einfließen in die QM/MM-Simulation von Protonentransportprozessen in einem wichtigen Membranprotein (dem sogenannten M2-Protonenkanal). Auch hier soll im weiteren Verlauf die kombinierte MD/kMC-Methodik angewandt werden, um biochemisch relevante Zeit- und Längenskalen zu erreichen.Zusammenfassend sollen in diesem Projekt die Grenzen der theoretischen Chemie und der chemischen Modellierung weiter vorangetrieben werden und auf materialwissenschaftlich wie auch biochemisch relevante Ionentransportprozesse in komplexen chemischen Umgebungen angewandt werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen