ETH Zürich: Voraussage von Kristallstrukturen dank neuem Simulationsverfahren möglich

28.12.2005

Mit Hilfe eines speziell entwickelten Algorithmus ist es zwei ETH-Forschern gelungen, die Struktur von Kristallgittern vorauszusagen, ohne dass experimentelle Daten einfliessen. Dieser Durchbruch bei der Aufklärung von Kristallstrukturen öffnet die Türe für Anwendungen in Pharmazie, in der Herstellung besonders harter Werkstoffe und in der Erforschung der geophysikalischen Vorgänge im Innern der Erde.

Bisher war es unmöglich, Kristallstrukturen mit vernünftigem Aufwand an Rechnerleistung und finanziellen Ressourcen per Computer vorauszusagen. So gibt es selbst für Kristalle mit relativ wenigen Atomen pro Einheitszelle unzählig viele Strukturmöglichkeiten. Nun ist es Artem Oganov vom Laboratorium für Kristallographie an der ETH Zürich gemeinsam mit dem ETH-Studenten Colin Glass gelungen, ein neues Simulationsverfahren zu entwickeln. Dieses ermöglicht, Kristallstrukturen schnell und zuverlässig vorauszusagen. Das Verfahren arbeitet mit einer von den beiden Forschern selbst entwickelten Software. Die ETH-Forscher entwickelten einen so genannten evolutionären Algorithmus. Dieser berechnet Kristallstrukturen unter vorgegebenen Temperatur- und Druckverhältnissen, ohne dass der Computer zuvor mit experimentellen Daten gefüttert werden muss.

Die neue Rechnungsmethode erzeugt und bewertet die Strukturen. So werden die schlechten herausgefiltert und die guten verwendet, um neue Strukturen zu erzeugen. Am Ende des Rechenvorgangs liegt schliesslich eine Kristallstruktur vor, die unter den vorgegebenen Bedingungen stabil ist. Diese Methode ist schneller und zuverlässiger als alle bisherigen. Ihr Potenzial liegt besonders darin, dass sie viel weniger Rechnerkapazitäten benötigt und mehr Atome pro Kristalleinheit berücksichtigen kann. Dank dieser neuen Simulationsmethode ist es Artem Oganov gelungen, in kurzer Zeit die Kristallstruktur von Kalk (Kalziumkarbonat, CaCO3) unter extremen Bedingungen, wie sie im Innern der Erde herrschen, vorauszusagen. Unter starkem Druck und hohen Temperaturen wird aus Kalk Aragonit. Steigt der Druck, wandelt sich die Struktur dieses Minerals in Post-Aragonit um, dessen Struktur bisher nicht vorausgesagt werden konnte. Der ETH-Forscher konnte diese Wissenslücke mit der neuen Methode nun schliessen. Die Forschungsergebnisse werden Ende 2005 in "Earth and Planetary Science Letters" veröffentlicht.

Das Voraussagen von Kristallstrukturen kann in Zukunft in der Pharmazie oder bei der Herstellung besonders harter Werkstoffe angewandt werden. So sind die beiden ETH-Forscher bereits dabei, den Algorithmus so zu verbessern, dass sie in Zukunft Strukturen mit Hunderten oder womöglich gar Tausenden von Atomen pro Einheitszelle voraussagen können.

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