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10.04.2015

Moleküle als dreidimensionales Modell drucken


Ein Gewinn für Lehre und Forschung: Chemiestudierende der TU Clausthal können sich ab dem Sommersemester auf Moleküle zum Anfassen freuen. Dank einem Cluster für quantenchemische Berechnungen, dessen Ergebnisse sich in Form von Strukturdaten direkt als dreidimensionales Modell drucken lassen, können Studierende und Wissenschaftler die Gegenstände aktueller Forschung erstmals direkt in die Hand nehmen.

"Simulationen in Form angewandter quantenchemischer Berechnungen sind ein unerlässliches Hilfsmittel für experimentell arbeitende Chemiker und Werkstoffwissenschaftler geworden", so Professor Eike Hübner vom Institut für Organische Chemie. Ein wichtiger Aspekt sei dabei stets die Struktur der chemischen Verbindungen, die in vielen Fällen für das Grundverständnis der Eigenschaften und der Reaktivität von entscheidender Bedeutung ist. Neben der dreidimensionalen Darstellung am Computerbildschirm steht seit einigen Wochen die direkte Ausgabe als 3D-Modell zur Verfügung. Einige Dutzend Moleküle sind am Institut bereits gedruckt und als Anschauungsmodell präpariert worden.

"Dadurch ist es möglich, die Strukturen in beliebiger Orientierung tatsächlich in die Hand zu nehmen und den Einfluss von neuen Ideen an dem Modell möglichst direkt sichtbar zu machen - bis schließlich das Molekül tatsächlich synthetisiert wird", erläutert Chemiker Hübner. Die gedruckten Modelle spiegeln dabei im Unterschied zu einem Molekülbaukasten die Bindungsverhältnisse (Winkel und Bindungslängen) des realen Moleküls exakt wider, und zwar im Maßstab von etwa 1:100.000.000. Neben der Forschung können die Modelle in der Lehre beispielsweise genutzt werden, um stereochemische Phänomene zu veranschaulichen.

Grundsätzlich forschen Professor Hübner und dessen Mitarbeiter an neuen funktionalen organischen Materialien. Ein Beispiel: Plastiktüten belasten die Umwelt. Inzwischen gibt es zwar erste Abfallbeutel zu kaufen, die aus biologisch abbaubaren Kunststoffen hergestellt werden, sie sind aber sehr temperaturanfällig. Ab 50°C werden sie weich und verlieren ihre Form. Bestimmte Polymere, die es zu charakterisieren und herzustellen gilt, könnten die Temperaturanfälligkeit beträchtlich verbessern.

Dabei kann das Herstellen von 3D-Modellen helfen. "Die am Institut vorhandene Rechenleistung ist ausreichend", sagt Hübner, "um auf dem aktuellen Niveau angewandter theoretischer Diskussionen größere Moleküle und Reaktionsmechanismen zu berechnen." Diese Möglichkeit bietet er auch Clausthaler Wissenschaftlern anderer Institute an. In dem Cluster stehen derzeit 34 Kerne (á 3,2 GHz) mit schnellem InfiniBand Interconnect für parallele Berechnungen bereit. Mittels der aktuellen Softwareversion (Jaguar) können bis zu zwölf Problemstellungen gleichzeitig berechnet werden. Die erhaltenen Ergebnisse reichen von spektroskopischen Daten über die Berechnung von Partialladungen, Orbitalkoeffizienten, Dipolmoment, Polarisierbarkeit und diverser anderer elektronischer Eigenschaften bis hin zu Reaktionsenergien und vollständigen mechanistischen Aufklärungen. Damit ist es vor der Synthese neuer Verbindungen möglich, den Einfluss denkbarer Variationen hinsichtlich Stabilität, Aromatizität, Farbe, Katalysatoraktivität, Oberflächenhaftung und vieles mehr vorherzusagen.

Quelle: Technische Universität Clausthal




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