Molekulare Modelle für die Verfahrenstechnik mit komplexen Molekülen

• Applicant: Professor Dr.-Ing. Hans Hasse
• Subject Area: Technical Thermodynamics
• Term: from 2013 to 2018
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 227761569

• Final Report Year: 2019

Final Report Abstract

In der Verfahrenstechnik sind zunehmend Mischungen von Interesse, die komplexe Moleküle enthalten. Deren thermodynamische Eigenschaften lassen sich jedoch bislang in vielen Fällen nicht quantitativ beschreiben. Diese Herausforderung wurde in dem vorliegenden Projekt durch molekulare Simulationen mit Kraftfeldmethoden angegangen. Die Aufgabe hat seit der Antragstellung weiter an Bedeutung gewonnen. In dem Projekt konnten auf vielen Teilgebieten signifikante Fortschritte erzielt werden. An der Gesamtaufgabe wird jedoch noch weitergearbeitet werden müssen. Die methodischen Hürden, die sich hier stellen, sind durch das Projekt klarer umrissen worden und Lösungswege sind geebnet worden. Zur Lösung der Aufgabe wurden im Projekt verschiedene Bereiche bearbeitet: Sowohl in der molekularen Modellierung als auch im Bereich der zugehörigen Simulationstechniken wurden im Projekt methodische Entwicklungen durchgeführt und erprobt. Ferner wurden Simulationswerkzeuge entwickelt. Leitanwendungen haben einen Bezug zur Anwendung geschaffen. Im Bereich der Entwicklung molekularer Modelle wurde die mehrkriterielle Optimierung als neue Methode etabliert. Im Bereich der atomistischen Modellierung von Elektrolytlösungen wurde das Konzept der Ionenmodellfamilien eingeführt, innerhalb derer die Modelle der Einzelionen frei zu Salzen kombiniert werden können. Es wurde gezeigt, dass wässrige und nicht-wässrige Lösungen mit denselben Ionenmodellen beschrieben werden können. Im Bereich der Simulationstechnik wurde ein etablierter und hocheffizienter Molekulardynamik-Code zur Berechnung thermodynamischer Eigenschaften so erweitert, dass die Behandlung von komplexen Molekülen mit inneren Freiheitsgraden möglich ist. In einem Ringversuch, an dem zahlreiche akademische Gruppen beteiligt waren, wurden die Grenzen der Reproduzierbarkeit von solchen komplexen Simulationen untersucht: Neben statistischen Fehlern muss bei solchen komplexen Simulationen auch mit systematischen Fehlern gerechnet werden. Diese Arbeiten haben auch aktuelle Debatten in der Wissenschaftsphilosophie bereichert. Im Bereich der Simulation von Polymerlösungen wurden Grenzen der molekulardynamischen Simulation von Gleichgewichtszuständen aufgezeigt und Wege eröffnet, durch eine Anpassung der Modellierungstiefe trotzdem zu praxisrelevanten Ergebnissen zu kommen.

Publications

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  H. Hasse
  
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