Voraussage von Kristallstrukturen möglich

Foto: Ein Amethyst-Kristall

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 Eidgenössische Technische Hochschule (ETH) Zürich gemeinsam mit dem 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, einem 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 schnell und zuverlässig. Ihr Potenzial liegt darin, dass sie 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 (CaCO3) unter extremen Bedingungen, wie sie im Innern der Erde herrschen, vorauszusagen.

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.

COMPAMED.de; Quelle: Eidgenössische Technische Hochschule Zürich