Ein Rätsel der theoretischen Chemie haben Forschende an der Technischen Universität Wien gelöst: Eine neue Rechenmethode erlaubt, Kräfte zwischen grossen Molekülen korrekt zu berechnen.
Warum können Geckos die Wände hochlaufen? Warum wird Stickstoff bei -196 °C flüssig? Viele wichtige Alltagsphänomene lassen sich durch Van-der-Waals-Kräfte erklären – Bindungen zwischen Molekülen, die mathematisch oft nur schwer zu berechnen sind. Seit einigen Jahren kämpfte man mit dem Problem, dass verschiedene Rechenmethoden zu unterschiedlichen Ergebnissen kamen.
An der TU Wien gelang es nun, diese Diskrepanz zu erklären und eine Lösung zu finden: Ausgerechnet jene Methode, die bisher als «Goldstandard» der Quantenchemie galt, schätzt die Energie, die in der Bindung zwischen Molekülen steckt, systematisch falsch ein. Mit einer neuen, verbesserten Methode kann man nun auch das Verhalten grosser Moleküle korrekt vorhersagen – gerade für biologische Systeme oder auch im Bereich erneuerbarer Energie ist das unverzichtbar.
Ein Rätsel der Chemie
«Um Bindungen zwischen grossen Molekülen zu beschreiben, verwendet man unterschiedliche Methoden», sagen Tobias Schäfer und Andreas Irmler, Erstautoren der aktuellen Publikation. Sie haben gemeinsam mit Alejandro Gallo und Prof. Andreas Grüneis unterschiedliche Herangehensweisen miteinander verglichen. «Man nutzt zum Beispiel Quanten-Monte-Carlo-Methoden, bei denen ein Computer unzählige Anordnungen der Elektronen durchspielt. Energetisch vorteilhafte Anordnungen werden behalten und schlechte aussortiert. Oder man setzt sogenannte Coupled Cluster Methoden ein.» Dabei betrachtet man die Moleküle als befänden sie sich in Zuständen relativ niedrigerer Energie, höhere Energiezustände werden dann nachträglich als «Fehlerkorrektur» mit eingebaut.
«Diese Variante, die Coupled-Cluster-Methode, gilt eigentlich als Goldstandard», sagt Schäfer. «Doch je genauer man hinsah, desto deutlicher wurden kleine, aber hartnäckige Abweichungen zur Monte-Carlo-Methode. Die Frage, warum das so ist, war schon länger offen.»
Nun konnte das Team zeigen, dass die Coupled-Cluster-Methode grundlegende Probleme hat, wenn es um grosse Moleküle geht: «Wir haben entdeckt, dass sie die Bindungsenergien in grossen, stark polarisierbaren Molekülen systematisch überschätzt», erklärt Irmler. «Mit unserer verbesserten Variante können wir diese Abweichung korrigieren, ohne den Rechenaufwand massgeblich zu erhöhen.» Mit dieser Korrektur stimmen die Ergebnisse jetzt deutlich besser mit den Quanten-Monte-Carlo-Methoden überein.
Grosse Moleküle, grosse Bedeutung
Besonders wichtig ist das bei grossen Molekülen. «Wenn man das Verhalten von Molekülen mit bis zu hundert Atomen erklären will, ist der Rechenaufwand enorm», fährt Gallo fort. «Selbst die grössten Supercomputer der Welt stossen hier an ihre Grenzen. Man braucht ausgeklügelte Näherungsmethoden, um in solchen Fällen zuverlässige Einschätzungen zu erhalten.»
Doch gerade die Welt der grossen Moleküle wird immer wichtiger – etwa in der Forschung an neuen Materialien oder pharmazeutischen Wirkstoffen. «Wenn man wissen möchte wie ein Wirkstoff in einer Tablette kristallisiert, oder wie stark ein Material Wasserstoff zur Energiespeicherung bindet, muss man die Van-der-Waals-Kräfte korrekt einschätzen können», sagt Schäfer.
Die Arbeit ermöglicht zuverlässigere Referenzdaten, die nicht nur für klassische Simulationen entscheidend sind, sondern auch als Trainingsdaten für KI-Modelle dienen können. Solche Modelle werden heute bereits eingesetzt, um Materialien virtuell zu entwickeln. Prof. Andreas Grüneis vom Institut für theoretische Physik resümiert. «Die Ergebnisse eröffnen neue Möglichkeiten für die Materialwissenschaft und zeigen, dass selbst etablierte Methoden regelmässig auf den Prüfstand gestellt werden müssen, um mit den wachsenden Anforderungen der Wissenschaft Schritt zu halten.»
