Die Broschüre des John von Neumann-Instituts für Computing gibt es auf deutsch und auf englisch. Sie kann bestellt werden beim NIC-Sekretariat (nic@fz-juelich.de).

Vorwort	Super- computing	Astro- physik	Elementar- teilchen	Viel- teilchen	Polymere	Chemie	Umwelt	Sonstige Gebiete

    Chemie

Begleittext "Chemie"	Sigrid Peyerimhoff, Theoretische Chemie, Universität Bonn
Struktur und Reaktivität sulfatierter Zirkoniumdioxid-Katalysatoren	Frank Haase und Joachim Sauer, Arbeitsgruppe Quantenchemie, Humboldt-Universität Berlin
Struktur und Dynamik substituierter Fullerene	Isabelle Billas, T. Patrick Martin, Mauro Boero, Michele Parrinello, Max-Planck-Institut für Festkörperforschung, Stuttgart; Carlo Massobrio, CNRS, Strasbourg
Moleküldynamik von Pyrazin nach Anregung mit ultraviolettem Licht	Andreas Raab, Graham Worth, Hans-Dieter Meyer und Lorenz Cederbaum, Theoretische Chemie, Universität Heidelberg
Einzelmolekül-Kraftmikroskopie-Simulationen an Antikörper/Antigen-Komplexen	Berthold Heymann und Helmut Grubmüller, Max-Planck-Institut für biophysikalische Chemie, Göttingen
Monte-Carlo-Simulation von flüssigem Trifluormethan	Matthias Hloucha und Ulrich Deiters, Institut für Physikalische Chemie, Universität zu Köln

Begleittext "Chemie"

Die Chemie, also die Untersuchung der Eigenschaften von Substanzen und ihrer Umwandlungen ineinander, hat sich über Jahrhunderte auf akribische Naturbeobachtung und phantasievolle Experimente gegründet. Die Erkenntnis des Aufbaus der Materie aus positiv und negativ geladenen Kernen und Elektronen und die Entwicklung der Quantenmechanik erlaubten die Formulierung einer mathematischen Gleichung, aus der im Prinzip alle beobachtbaren Eigenschaften atomarer und molekularer Systeme zu bestimmen sind. Damit war der Weg für eine mathematische Behandlung chemischer Vorgänge geebnet. Allerdings ist diese Gleichung derart kompliziert, daß für ein Vielteilchensystem nur eine näherungsweise Lösung möglich ist. Begünstigt durch die rasche Entwicklung der Computer hat sich dieses Gebiet der Quantenchemie seit den 60er Jahren stürmisch entwickelt. Rechnungen erlauben heute verläßliche Aussagen über chemische Systeme mit einer Genauigkeit, die mit der von experimentellen Daten durchaus vergleichbar ist. Solche Rechnungen können auch Informationen über Systeme oder Prozesse liefern, die Experimenten nicht direkt zugänglich sind. Trotzdem sind Experimente nicht überflüssig; im fortwährenden Dialog zwischen Experiment und Theorie werden die Methoden und die theoretischen Vorhersagen verbessert.

Die verwendeten Methoden reichen von den quantenchemischen "ab initio"-Verfahren, welche eine Lösung der quantenchemischen Gleichungen ohne empirische Daten anstreben, über Dichtefunktionalmethoden unter Nutzung weniger Parameter bis hin zu approximativeren Verfahren der Molekülmechanik oder Moleküldynamik, die klassische Bewegungsgleichungen und empirische oder quantenmechanisch gewonnene Kraftfelder verwenden. Je nach Systemgröße und Computeraufwand kommen auch verschiedene "Hybrid-Verfahren" zum Einsatz.

Ein wichtiges Einsatzgebiet ist die Untersuchung chemischer Reaktionen auf molekularer Ebene. Das mikroskopische Verständnis erleichtert das gezielte Eingreifen in einen Reaktionsablauf - und dies ist letzten Endes das Ziel vieler experimenteller und theoretischer Anstrengungen im Bereich der Katalyse. Beispielhaft hierfür sind die Untersuchungen der Dissoziation der Schwefelsäure auf Zirkoniumdioxid oder das Verhalten von Fullerenen beim Einbau von Gastatomen in den Kohlenstoff-Käfig.

Im Bereich der Spektroskopie und Photochemie, d.h. bei Wechselwirkung von Materie mit Licht vom Infraroten bis zum Röntgenbereich, sind quantenchemische Berechnungen nicht mehr wegzudenken. Zumindest bei kleinen Molekülen können sie eingesetzt werden, um vorherzusagen, in welchem Energiebereich das Molekül absorbiert, wie lange das isolierte Molekül lebt und welche Reaktionen möglich sind. In diesen Problemkreis gehört die Moleküldynamik des Pyrazin.

Für Systeme mit vielen tausend Atomen werden einfachere Verfahren genutzt. Ihren Einsatz sieht man derzeit vorwiegend in der Biochemie, wie das Beispiel Antikörper/Antigen-Komplex zeigt, oder bei der Modellierung von Flüssigkeiten.

Die Vergabe des Chemienobelpreises 1998 an Walter Kohn und John A. Pople würdigt die bahnbrechenden Leistungen dieser Wissenschaftler auf dem Gebiet der Quantenchemie, dokumentiert aber auch die Bedeutung, welche dieses Forschungsgebiet für die gesamte Chemie erlangt hat. Kaum ein Bereich von der Molekülphysik über die anorganische und organische Chemie bis hin zur Biochemie kann heute noch auf den Einsatz der Computermethoden verzichten. Die Bereitstellung leistungsfähiger Computer ist hierfür essentiell.

(Sigrid Peyerimhoff, Theoretische Chemie, Universität Bonn)

Struktur und Reaktivität sulfatierter Zirkoniumdioxid-Katalysatoren

Oberflächenbehandlung von Zirkoniumdioxid durch Sulfat ergibt einen ungewöhnlich aktiven Katalysator für viele industriell wichtige chemische Reaktionen. Die bisher unbekannte Oberflächenstruktur dieser interessanten Schwefelspezies konnte jetzt erstmals durch quantenchemische Rechnungen geklärt werden. Es konnte gezeigt werden, daß Schwefelsäure auf Zirkoniumdioxidoberflächen vollständig dissoziiert und dabei zweifach (links) sowie dreifach (rechts) koordinierte Sulfatanionen und Oberflächenhydroxylgruppen entstehen. Die berechneten Schwingungsfrequenzen stimmen sehr gut mit beobachteten Spektren überein und unterstützen die experimentelle Vermutung, daß beide Strukturen charakteristische Infrarotabsorptionen aufweisen, welche eine Unterscheidung ermöglichen. Die Reaktivität dieses Katalysators ist Gegenstand laufender Untersuchungen.

(Frank Haase und Joachim Sauer, Arbeitsgruppe Quantenchemie, Humboldt-Universität Berlin)

Struktur und Dynamik substituierter Fullerene

Die als Fullerene bekannten käfigartigen Kohlenstoffmoleküle haben eine Vielzahl von interessanten Eigenschaften, die durch Substitution von Gerüstatomen oder Einbau von Gastatomen im Käfighohlraum verändert werden können.

Substitution eines Kohlenstoffatoms im "Fußballmolekül" C₆₀ durch das homologe Silizium (rot im Bild) führt zu einer deutlichen lokalen Deformation der ursprünglichen nahezu perfekten Kugelgestalt und zu einer Veränderung der elektronischen Energieniveaus durch Symmetriereduktion. Die starke Lokalisierung der höchsten besetzten und der tiefsten unbesetzten Molekülorbitale am Silizium macht diese zu interessanten reaktiven Zentren.

Zur Energieberechnung und Strukturoptimierung wurde die Car-Parrinello-Methode auf dem Parallelrechner CRAY T3E verwendet, bei der die klassisch mechanisch behandelte Atom-Bewegung direkt mit einer quantenmechanischen Dichtefunktionalberechnung der elektronischen Energie gekoppelt ist.

(Isabelle Billas, T. Patrick Martin, Mauro Boero, Michele Parrinello, Max-Planck-Institut für Festkörperforschung, Stuttgart; Carlo Massobrio, CNRS, Strasbourg)

Moleküldynamik von Pyrazin nach Anregung mit ultraviolettem Licht

Pyrazin ist ein dem Benzol ähnliches organisches Molekül. Bestrahlt man dieses Molekül mit ultraviolettem Licht, so wird ein Teil davon absorbiert. Die Art und Weise der Absorption ist charakteristisch für das bestrahlte Molekül und wird durch sein Absorptionsspektrum beschrieben.

Quantenmechanische Methoden sind zum Verständnis dieses Absorptionsvorgangs notwendig. Durch die Bestrahlung gerät das Pyrazin in Bewegung und vollzieht komplizierte Schwingungsbewegungen. Die Komplexität dieser Dynamik wird zu einem wesentlichen Teil von der Berührung der hochdimensionalen Potentialflächen zweier verschiedener elektronischer Zustände verursacht. Ein Schnitt durch diese Potentialflächen ist in der Abbildung dargestellt.

Die Dynamik des Pyrazin-Moleküls auf den beiden gekoppelten Potentialen wurde mit einem neuen in der Arbeitsgruppe entwickelten quantendynamischen Verfahren auf dem Vektorrechner CRAY T90 berechnet.

(Andreas Raab, Graham Worth, Hans-Dieter Meyer und Lorenz Cederbaum, Theoretische Chemie, Universität Heidelberg)

Einzelmolekül-Kraftmikroskopie-Simulationen an Antikörper/Antigen-Komplexen

Molekulardynamikrechnungen erlauben das Studium der Wechselwirkung zwischen biologischen Molekülen auf der Basis atomistischer Modelle. Modernste kraftmikroskopische Techniken erlauben einen komplementären experimentellen Zugang und damit eine detaillierte Modellprüfung.

Das Bild zeigt ein Simulationssystem zum Studium eines Antikörper-Antigen-Bindungsprozesses. Der Antikörper (rot) mit gebundenem Antigen (grün) wurde dazu im Computermodell in Wasser (blau) gelöst, das Natrium- und Chlor-Ionen (gelb) in physiologischer Konzentration enthält. Dieses System umfaßt insgesamt 44.571 Atome.

Zur Simulation der Kraftmikroskopie-Experimente wirken neben den in der Molekulardynamik üblichen molekularen Wechselwirkungen auf das grüne Antigenmolekül noch zusätzliche Kräfte, die den Hebelarm eines Kraftmikroskops simulieren, der das Antigen aus der Bindungstasche herauszieht. Die Simulationen erlauben die Beobachtung verschiedener Reaktionswege des Antigenmoleküls und der simultanen Dynamik der Bindungstasche und des Netzwerkes von Wasserstoffbrückenbindungen.

(Berthold Heymann und Helmut Grubmüller, Max-Planck-Institut für biophysikalische Chemie, Göttingen)

Monte-Carlo-Simulation von flüssigem Trifluormethan

Trifluormethan ist bei Zimmertemperatur gasförmig und gilt als möglicher Ersatzstoff für Fluor-Chlor-Kohlenwasserstoffe. Die Beschreibung der flüssigen Phase vom Schmelzpunkt bis zum kritischen Punkt mit einem atomistischen Modell steht im Zentrum dieser Untersuchungen. Hierbei wird ein Modell mit polarisierbaren Teilchen verwendet, dessen Parameter nicht an thermodynamische Meßdaten angepaßt sind.

Die Monte-Carlo-Methode erlaubt die Berechnung thermodynamischer Eigenschaften durch statistische Mittelung über Teilchenkonfigurationen, die entsprechend vorgegebener Randbedingungen (hier feste Teilchenzahl, fester Druck und feste Temperatur) verteilt sind. Das intermolekulare Wechselwirkungsmodell gibt im gesamten Temperaturbereich die Flüssigkeitsstruktur (Bild), deren Dichte und Verdampfungswärme und die Dielektrizitätskonstante gut wieder.

(Matthias Hloucha und Ulrich Deiters, Institut für Physikalische Chemie, Universität zu Köln)

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