Forschung

Das Fachgebiet Theoretische Festkörperphysik beschäftigt sich mit der Simulation von Dynamik und Struktur kondensierter Materie mittels ab initio und klassischer Molekulardynamik. Einen Schwerpunkt bildet dabei die Untersuchung von chemischem Ladungstransport in Energiematerialien, wie z.B. die Aufklärung des Protonenleitungsmechanismus in potentiellen Brennstoffzellmembranmaterialien (Triazole, solid acids) oder die Berechnung der Litihiumionenbeweglichkeit in Silizium-basierten Batterieelektrodenmaterialien.

Brennstoffzellmembran- und Elektrodenmaterialien können nur korrekt als inhomogene, nicht-ideale Materialien beschrieben werden, deren Eigenschaften maßgeblich von ihrer Nano- und Mikrostruktur bestimmt werden. Der hohe Rechenaufwand der ab initio Molekulardynamik verhindert eine direkte Simulation solcher Systeme. Um dieses Problem zu lösen, hat das Fachgebiet Theoretische Festkörperphysik ein Multiskalenverfahren mitentwickelt, welches die effiziente Berechnung von Protonendiffusivitäten ermöglicht, um zum Beispiel computergestützt entscheiden zu können, ob ein neues Material als vielversprechender Kandidat für die Verwendung als Brennstoffzellmembran in Frage kommt. Der Multiskalenansatz kombiniert dabei Molekulardynamiksimulationen mit einer probabilistischen Propagation der Protonen auf einem sich dynamisch entwickelnden Gitter von Sauerstoffatomen. Dadurch wird die Beschreibung von Protonentransport auf deutlich größeren Zeit- und Längenskalen von Millisekunden und Mikrometern (Millionen von Atomen) ermöglicht. Mittels diesen Ansatzes konnte bereits in der Vergangenheit als  experimentell-theoretisches Kooperationsprojekt die Leitfähigkeit nanoporöser solid acid Brennstoffzellmembranen in Abhängigkeit der Porösität des CsH₂PO₄-Netzwerkes analysiert werden.

Die statische lineare "density-density response function'' und insbesondere deren frequenzabhängiges Pendant besitzen in vielen Bereichen Anwendungen, insbesondere bei der Berechnung elektronischer Anregungs- und molekularer Wechselwirkungsenergien. Das Fachgebiet Theoretische Festkörperphysik sucht effiziente Darstellungen der statischen linearen "density-density response function'', um die Berechnung elektrostatischer Polarisationswechselwirkungen zwischen Molekülen zu vereinfachen. Nachdem diese Antwortfunktion einmal bestimmt wurde, ermöglicht sie die Berechnungen von Änderungen der Elektronenstruktur mit einem Bruchteil des Rechenaufwandes einer quantenchemischen Rechnung.Wir konnten bereits zeigen, dass mit Hilfe der Moment Expansion - einer speziellen Darstellung der "density-density response function'' – lediglich ungefähr 50 moment expanded states notwendig sind, um konvergierte Elektronendichteänderungen für die Wechselwirkungen mit molekularen Umgebungen, zu erhalten.