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Neues aus der Welt der Wissenschaft |
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Photochemische Reaktionen im PC berechnen |
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| | | Chemische Reaktionen, die durch Wärmezufuhr angeregt werden, können Wissenschaftler seit langem im Computer ablaufen lassen. Forschern ist es nun erstmals gelungen, diese Methode auch auf die komplizierteren photochemischen Reaktionen anzuwenden. |
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Nikos Doltsinis und Dominik Marx vom Institut für Theoretische Chemie der Ruhr-Universität Bochum entwickelten dazu einen Algorithmus, der mehrere elektronische Zustände berücksichtigt. Ihre Ergebnisse stellen die Wissenschaftler in den "Physical Review Letters" vor.
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"Nonadiabatic Car-Parrinello Molecular Dynamics"
Der Artikel "Nonadiabatic Car-Parrinello Molecular Dynamics" ist erschienen in den "Physical Review Letters", Band 88, Nr. 16, Seite 166402, vom 22. April 2002. "Physical Review Letters"
Eine populärwissenschaftlichere Darstellung gibt es auf Englisch bei der Ruhr-Universität: Simulating photochemistry by nonadiabatic dynamics |
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Energiezufuhr durch Wärme oder Licht |
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Um überhaupt in Gang zu kommen, verbrauchen die meisten chemischen Reaktionen zunächst Energie. Häufig erhalten sie diese als Wärme, z. B. indem ein Bunsenbrenner die Temperatur eines Reaktionsgefäßes erhöht. Eine andere Energiequelle kann das Licht sein, das so genannte Photoreaktionen auslöst.
Beispiele für verschachtelte Reaktionen, bei denen eine Photoreaktion am Anfang steht, sind die Photosynthese (Umwandlung von Lichtenergie in organismisch verwertbare Energieformen) und der Sehprozess (Umwandlung von Lichtenergie in Neurosignale).
"Viele dieser lichtgetriebenen Reaktionen sind thermisch unmöglich oder führen bei identischen Ausgangssubstanzen zu anderen Produkten als die thermische Analogreaktion", erläutert Marx die Komplexität.
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Die "Car-Parrinello Molekulardynamik" |
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Thermische Reaktionen laufen typischerweise in einem einzigen elektronischen Zustand - meist dem Grundzustand - ab. Solche Reaktionen können die Forscher bereits seit gut 15 Jahren "in silico", also im Computer, simulieren.
"Wir vereinfachen die Grundgleichungen der Quantenphysik, münzen sie in Rechenvorschriften um und lösen sie näherungsweise auf Großrechnern", so Marx. Eine effiziente Methode dazu ist die 1985 eingeführte "Car-Parrinello Molekulardynamik" (CP-MD).
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Komplizierte Photoreaktionen simulieren |
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Photoreaktionen sind allerdings komplizierter, da sie mindestens zwei elektronische Zustände benötigen, die zudem (über so genannte "nichtadiabatische Kopplungen") miteinander verquickt sind.
Mit einem neuen Algorithmus gelang es Doltsimis und Marx nun, das CP-MD-Verfahren auf Photoreaktionen zu erweitern (nichtadiabatische CP-MD). Ihre Methode kann, im Gegensatz zu ähnlichen Ansätzen, Photoreaktionen sehr effizient und auch für komplexe Moleküle berechnen.
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Große und gelöste Moleküle untersuchen |
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Um mit anderen Rechnungen vergleichen zu können, testeten die Forscher ihre Methode zunächst an einer bekannten Photoreaktion eines kleinen Moleküls in der Gasphase.
Ideale Anwendungsgebiete der nichtadiaba-tischen CP-MD sind jedoch gerade die Untersuchung großer Moleküle, etwa DNA Basenpaare, oder von Molekülen in Lösung. Sie kommen in Reaktionskolben chemischer Labors und in biologischen Organismen am häufigsten vor.
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01.01.2010 |
