Materialsimulationen

Materialsimulationen bezeichnet die computergestützte Untersuchung der Struktur, Eigenschaften und des Verhaltens von Materialien auf verschiedenen Längen- und Zeitskalen. Sie dienen dazu, Mechanismen zu verstehen, Materialdesign zu unterstützen und Experimente zu ergänzen oder vorzubereiten. Typische Zielgrößen sind Struktur, Phasenstabilität, Defekte sowie mechanische, thermische, elektronische und optische Eigenschaften.

Im atomistischen Bereich kommen Methoden wie Molekulardynamik (MD), Monte-Carlo-Simulationen und ab-initio-Verfahren zum Einsatz. MD beschreibt die Bewegung von Atomen durch klassische Kräftefelder; ab-initio Methoden wie die Dichtefunktionaltheorie (DFT) liefern Informationen zur Elektronenstruktur ohne empirische Parameter. Semiempirische Ansätze, einschließlich Tight-Binding oder ReaxFF, verbinden Genauigkeit und Effizienz.

Auf höheren Skalen verwenden Forscher Finite-Elemente-Methoden, Phase-field-Modelle und kinetische Monte-Carlo-Simulationen, um Materialverhalten wie Festigkeit, Diffusion oder Phasenwechsel auf makroskopischer oder mesoskaler Ebene abzubilden. Multiskalige Ansätze koppeln Modelle über verschiedene Skalen hinweg, um atomistische Details mit makroskopischen Beobachtungen zu verbinden. Data-driven Ansätze, darunter maschinelle Lernpotenziale (Neuronale Netze, Gaussian Approximation Potentials, GAP) gewinnen an Bedeutung, um Rechenkosten zu senken und Materialauswahl zu beschleunigen.

Anwendungsfelder umfassen Metalle, Legierungen, Halbleiter, Keramiken, Polymere und Grenzflächen. Materialsimulationen unterstützen die Vorhersage von Phasenstabilität, Defekten, Oberflächenreaktionen, Thermodynamik, elektrischer Leitfähigkeit, Wärmeleitfähigkeit und mechanischen Eigenschaften. In der Energieversorgung werden Batteriematerialien, Elektroden, Katalysatoren und Solarzellen modelliert; in der Elektronik Halbleiterbauteile; in Infrastruktur und Transport Fahrzeug- und Strukturwerkstoffe.

Zu den Herausforderungen gehören Genauigkeit der Modelle, Abhängigkeit von Parametern, Rechenaufwand, Skalierbarkeit und Validierung durch Experimente. Offene Fragen betreffen Transferierbarkeit von Materialien unter unterschiedlichen Bedingungen und die Integration von Multiphysik. Die Entwicklung leistungsfähiger, benutzerfreundlicher Softwarepakete und offener Datensätze fördert die Reproduzierbarkeit in der Materialsimulation.