Fortgeschrittene Simulationsverfahren für Gas@Host Systeme

Mit dem Begriff nanoporöse Verbindungen werden im allgemeinen Feststoffe bezeichnet, die einen ungewöhnlich hohen Anteil mikroskopisch kleiner Hohlräume, entweder in Form rohrartiger Kanäle oder kugelförmiger Poren, aufweisen. Die Durchmesser dieser Hohlräume bewegen sich in der Größenordnung von wenigen Mikro- bis zu einem Nanometer (ein Milliardstels eines Meters). Die Kanäle und Poren dieser Materialien stehen in den meisten Fällen aber nicht leer, sondern können mit kleineren Verbindungen, den sogennanten Gastmolekülen, befüllt werden. Bekannte Vertreter nanoporöser Substanzen sind die im Labor hergestellten metall- und kovalent- organischen Gerüstverbindungen (im Englischen: metal-organic frameworks, MOFs und covalent organic frameworks, COFs), die eine der am schnellsten wachsenden Klassen funktioneller Materialien darstellen. Im Gegensatz zu den natürlich vorkommenden nanoporösen Verbindungen wie beispielsweise die auf Aluminium und Silizium basierenden Zeolite und Aktivkohle, sind MOF und COF Verbindungen für ihre ungemein höhere Speicherkapazität der Gastmoleküle bekannt. Diese Eigenschaft ist für die Speicherung von Treibhausgasen wie Kohlendioxid (CO 2) und technisch relevanten Energieträgern wie Wasserstoff (H 2) und Methan (CH4) von besonderem Interesse. Aufgrund der vielfältigen Kombinationsmöglichkeiten, die zur Herstellung dieser Gerüstverbindungen zur Verfügung stehen, gestaltet sich die Suche nach den bestmöglichen Speichermedien aufwendig, zeitraubend und in vielen Fällen teuer. Einen alternativen Ansatz, um die Speicherkapazität dieser Verbindungen zu ermitteln, bieten Methoden aus dem Bereich der computerunterstützen Materialwissenschaften. Mit Hilfe geeigneter Berechnungsverfahren lassen sich die Eigenschaften dieser Materialen ermitteln, noch bevor diese im Labor hergestellt wurden. Dadurch lassen sich mit Hilfe der computergestützten Verfahren geeignete Kandidaten für eine weitere Synthese im Labor ermitteln, während wenig vielversprechende Materialien bereits vorab ausgeschieden werden können. Das Ziel dieses Projekts ist die Entwicklung eines eigenständigen Simulationsprogramms, dass es Forschenden ermöglicht, die Eigenschaften neuartiger, nanoporöser Verbindungen auf technisch relevante Eigenschaften wie die Speicherkapazität hin zu untersuchen. Die Entwicklung der jüngsten Vergangenheit hat den dringenden Bedarf effizienter Speicherstrategien für das Treibhausgas Kohlendioxid sowie für nachhaltige Energieträger wie Wasserstoff und Methan drastisch vor Augen geführt hat. Die in diesem Projekt entwickelte Software kann einen wesentlichen Beitrag zur Entwicklung und Anwendung moderner Gasspeichermaterialien liefern und dadurch die internationalen Bemühungen zur Reduktion des Klimawandels und die Nutzung eneuerbarer Energieträger konstruktiv unterstützen.