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Atomistic Modelling oder die Kunst, das Spiel der Atome zu verstehen

Wieso ist ein Diamant hart? Warum leitet Kupfer Strom, Keramik aber nicht? Wieso ist Stahl fest und doch verformbar? Die Antwort auf all diese Fragen findet sich in den Bausteinen der Materie, den Atomen. Im Reich der Atome regieren die Kräfte zwischen positiv geladenen Atomkernen und negativ geladenen Elektronen, die für die Bindung im Material und somit für das Verhalten von Werkstoffen bei äußeren Einflüssen verantwortlich sind. Das Verblüffende dabei ist die Tatsache, dass allein das Wechselspiel von „Plus“ und „Minus“ letztendlich die ganze Vielfalt der Materialien und ihrer Eigenschaften, wie Festigkeit, Magnetismus oder Dichte hervorbringt.

Modellbild einer Korngrenze in Wolfram (graue Atome), mit Rhenium (violette Atome) legiert

Darstellung einer Korngrenze im Rasterelektronenmikroskop: Molybdän-Titan-Zirkonium Legierung mit sichtbar gemachten weiteren Fehlorientierungen im Kristallgitter aufgrund von Versetzungen

Neue Materialien am Computer entwerfen

Wie man dieses Wechselspiel der Teilchen am Computer berechnen kann, hat Erwin Schrödinger bereits vor 90 Jahren in der nach ihm benannten Schrödinger-Gleichung formuliert. Im Prinzip kann man alle Eigenschaften von Werkstoffen damit berechnen, doch war das Lösen der Gleichungen dermaßen kompliziert, dass selbst die Berechnung von einfachsten Materialien nicht zu bewältigen war. Die Formulierung einer effizienteren Theorie durch Walter Kohn, für die ihm vor 15 Jahren der Nobelpreis verliehen wurde, unterstützte die Weiterentwicklung der Berechnungen und die rasante Entwicklung der Rechenleistungen von Computern in den letzten Jahrzehnten erleichterte das Arbeiten mit diesen Gleichungen. Dadurch ist die Vorhersage von Werkstoffeigenschaften auf Basis der atomaren Bindungen am Computer erst möglich geworden.

In der Industrie sind heute zuverlässige Berechnungen und die Verknüpfung von Theorie und Praxis gefragt. Am Materials Center Leoben untersucht ein Team von neun Wissenschaftlern, wie man atomistische Simulationen für die Verbesserung von Materialeigenschaften einsetzen kann. Dafür ist ein grundlegendes Verständnis der Materie ebenso wichtig wie die praktische Erfahrung mit den Werkstoffen.

Mithilfe von modernsten Computerprogrammen, die in Leoben mitentwickelt wurden, berechnet man die Eigenschaften von neuen Materialien im Vorhinein. So lässt sich bereits vor der Herstellung eines neuen Materials vorhersagen, welche grundlegenden Eigenschaften es aufweisen wird, z.B. wie stark es sich mit steigender Temperatur ausdehnt, welche optische Eigenschaften es hat oder ob es ein gutes plastisches Fließverhalten aufweist.

Die aktuellen Anwendungsbeispiele für atomistische Modellierung am MCL spannen einen weiten Bogen: In einem Forschungsprojekt wird zum Beispiel untersucht, wie sich Fremdatome an Korngrenzen in verschiedenen Metallen anlagern und wie dadurch die Festigkeit beeinflusst wird. In einem anderen Projekt wird erforscht, wie Diffusionsbarrieren in Halbleiterbauelementen auf atomarer Ebene funktionieren und wie man sie optimieren kann. Ein weiteres Projekt befasst sich mit der Berechnung, welchen Einfluss Legierungselemente, Temperatur und Magnetismus auf Fehler im Atomgitter haben. Diese Erkenntnisse bilden die Grundlage für das zukünftige Design neuartiger Stähle mit besonders guter Verformbarkeit.

Bedeutung

Das langfristige Ziel von atomistischen Simulationen ist es, direkt am Computer neuartige Materialien zu „designen“, die etwa besonders hart, besonders korrosionsbeständig oder besonders leicht sind – oder am besten mehrere Kriterien zugleich erfüllen können. Dadurch könnte man sich aufwendige und zeitraubende Entwicklungsprozesse ersparen, bei denen viele tausend Proben hergestellt und getestet werden müssen.

Um dem Ziel der computerunterstützten Vorhersage von Material- bzw. Werkstoffeigenschaften näher zu kommen, müssen die Methoden des atomistischen Modellierens einerseits noch weiter beschleunigt werden, andererseits muss das atomistische Modellieren noch stärker mit Modellierungsmethoden auf anderen Längen- und Zeitskalen verknüpft werden.

Das MCL konzentriert sich aktuell auf die Berechnung von metallischen Legierungen, auf die Struktur und Eigenschaften von Kristalldefekten (z.B. Leerstellen, Versetzungen, Korngrenzen) und deren Auswirkungen auf materialphysikalische Phänomene wie z.B. die Diffusion sowie in zunehmendem Maße auf funktionale Eigenschaften (z.B. elektrische oder optische Eigenschaften).