Materialdesign auf atomarer Ebene

Virtuelles Material-Design

Tüftler entwickeln neue Materialien meist durch langwierige Versuche im Labor. Das wollen Wissenschaftler mit dem „Virtual Material Design“-Ansatz und einer speziellen Software ändern. So können sie optimierte Materialien deutlich schneller entwickeln.

Fast jede Branche benötigt für neue Entwicklungen neue Materialien. Früher bestand beispielsweise ein Automobil aus einer Handvoll Materialien – heute sind es tausende.

Die Suche nach dem richtigen Material war bisher oft ein Ratespiel. Ingenieure fischen die Kandidaten meist aus riesigen Werkstoffdatenbanken und testen sie anschließend.

Diese Datenbanken geben zwar Aufschluss über bestimmte Leistungseigenschaften. Sie gehen aber meist nicht genug in die Tiefe, um aussagekräftige Urteile darüber zu erlauben, ob ein Material genau die gesuchten Eigenschaften hat. Das müssen zahlreiche Labortests klären.

Wissenschaftler des Fraunhofer-Instituts für Algorithmen und Wissenschaftliches Rechnen SCAI haben einen anderen Ansatz gewählt. Sie brechen die Anforderungen an den Werkstoff bis zur inneren Struktur hinab – auf die atomare Ebene. Eine Software namens Tremolo-X berechnet, wie sich die Teilchen des Materials verhalten, wenn bestimmte physikalische Effekte auf sie einwirken. So können die Forscher darauf schließen, ob sie auf Basis dieser Teilchen einen Werkstoff mit den gewünschten Eigenschaften entwickeln können.

„Unser Ziel ist es, die Suche nach dem passenden Werkstoff abzukürzen. Oft dauert dieser Prozess zehn bis zwanzig Jahre, was nicht nur zeit- sondern auch kostenintensiv ist“, sagt Dr. Jan Hamaekers vom Fraunhofer SCAI. „Die Idee ist, über virtuelle Prozesse die Anzahl der Kandidaten auszusieben, bis nur noch einige wenige übrig sind, die dann im Labor getestet werden.“

Virtuelle Teilchen auf Quantenebene simulieren

Dafür müssen die Forscher zunächst die Anforderungen an das Material definieren – beispielsweise wie schnell ein Werkstoff abkühlen oder welchen Belastungen er standhalten muss. Das simuliert die Fraunhofer-Software auf zwei verschiedene Weisen: Auf atomarer- oder sogar auf Quantenebene simuliert sie virtuelle Teilchen. Wie verhalten sie sich? Wie reagieren die Teilchen untereinander?

Die andere Methode leitet aus vorhandenen Daten und Kenntnissen Vorhersagemodelle ab, die es ermöglichen, die Eigenschaften eines Materials vorauszusagen. „Ziel ist es, neue innovative Materialien und Moleküle mit effektiven Eigenschaften im virtuellen Computerlabor zu optimieren, zu kreieren und zu erforschen, um deren Struktur und Design vor der eigentlichen Synthese vorzuschlagen“, erklärt Hamaekers.

Deutlich wird das Vorgehen bei der Multiskalen-Modellierung, wie sie unter anderem in der chemischen Industrie zum Einsatz kommt. Hier wird zunächst auf Quantenebene die Chemie des Materials beschrieben. Diese Informationen werden auf immer gröbere Modelle übertragen, die Moleküle und deren physikalische Eigenschaften abbilden. „Will man zum Beispiel bei einer Lithium-Ionen-Batterie vorhersagen, wie gut das Elektrolyt ist bzw. wie schnell die Ionen diffundieren, simulieren wir zunächst die Teilchen auf der Quantenebene und sehen, was da für Reaktionen ablaufen“ so Hamaekers. „Dann gehen wir mit diesen Informationen auf die nächste Ebene und erhalten Aufschluss über die Dynamik, also wie sich die Partikel auf atomarer Ebene bewegen. Von hier können wir dann noch eine Skala nach oben gehen und uns anschauen, wie sich das Elektrolyt in der makroskopischen Welt verhält. So erhalten wir präzise Einblicke in alle Abläufe und können falls nötig Prozesse anpassen oder verändern.“

So können die Wissenschaftler nicht nur neue Materialien entwickeln oder passende Materialien für bestimmte Anwendungen finden, sondern auch Prozesse überprüfen und optimieren. Denn durch die Simulation der Prozessabläufe auf atomarer oder molekularer Ebene in einem virtuellen Reaktor lassen sich exakt die Stellen oder Parameter identifizieren, die optimiert werden können.

Das Fraunhofer SCAI stellt seinen Ansatz ausführlich auf der Hannover Messe 2018 vor, vom 23. bis 27. April.

Bild: Bornitrid-Nanoröhrchen in einer Siliziumoxidmatrix. Darstellung von verstärktem Nanomaterial mit der Fraunhofer-Software. © Fraunhofer SCAI