Wir simulieren die Wechselwirkung zwischen Licht und Materie sowie chemische Reaktionen in Echtzeit. Unser Ziel ist nicht nur die molekularen Prozesse zu verstehen, sondern sie auch zu kontrollieren. Die hierzu verwendeten Modellsysteme reichen von zweiatomigen Molekülen bis zu DNA in wässriger Lösung. Entsprechend unterschiedliche Methoden wie Quantendynamik oder klassische Molekulardynamik finden bei den Berechnungen Verwendung.

SHARC - Surface Hopping including ARbitrary Couplings

Wir haben eine nicht-adiabatische ab initio Molekulardynamik-Methode entwickelt, welche Spin-Bahn-Kopplung und Laser-Wechselwirkungen beschreiben kann. Diese gemischt quanten-klassische Dynamik-Methode verwenden wir zur Untersuchung von Prozessen in angeregten Zuständen. Intersystem crossing - z.B. ein Übergang von einem Singulett in einen Triplett-Zustand - kann in diesem Rahmen erforscht werden. Die Laser-Wechselwirkung wird nicht störungstheoretisch behandelt, so dass nichtlineare Prozesse, beispielsweise durch einen Stark-Effekt induziert, beobachtet werden können. Da Molekulardynamik erlaubt eine große Anzahl von Atomen zu modellieren, wird das Zusammenspiel zwischen Singulett- und Triplett-Zuständen in großen Molekülen zugänglich.

Beispiel: SO₂-Dynamik

Ab initio molecular dynamics software SHARC: sharc-md.org

Neuronale Netze und maschinelles Lernen

Künstliche neuronale Netze sind Computer-Algorithmen, die die Funktionsweise unseres Gehirns imitieren. Diese neuronalen Netze gehören zum Forschungsfeld des maschinellen Lernens und werden in den unterschiedlichsten Anwendungsbereichen eingesetzt. Wir nutzen sie, um Potenzialenergieflächen und andere molekulare Eigenschaften vorherzusagen. Diese neuronalen Netze haben den überragenden Vorteil, dass sie hochgenaue Resultate bei geringem Rechenaufwand liefern.

SERS und ähnliche Spektroskopie-Arten

Oberflächen-verstärkte Raman-Streuung (SERS; surface enhance Raman scattering) ist eine vielversprechende Technik, die sich der Nanotechnologie bedient, um verschiedene Anwendungen wie spezifische DNS-Detektion oder neue Materialien zu entwickeln. Die Grundlage für SERS ist der Raman-Effekt, wo Photonen inelastisch von Atomen oder Molekülen gestreut werden. Die Empfindlichkeit der Raman-Methode kann durch den SERS-Effekt drastisch gesteigert werden, sodass sogar Einzelmolekülspektroskopie möglich wird. Die Signalverstärkung kann auf zwei Phänomene zurückgeführt werden: 1.) Elektromagnetisch induzierte Oberflächen-Plasmonen und 2.) Chemisorption, d.h. die Ausbildung von chemischen Bindungen mit der Oberfläche und Ladungstransfer-Komplexen. Wir arbeiten an einer Implementierung beider Effekte in quantenmechanischen Simulationen, um die verschiedenen Beiträge zu bestimmen.

Laserkontrolle von chemischen Reaktionen

Eines der zentralen Probleme in der Chemie ist, das Ergebnis von Reaktionen zu kontrollieren. Dieses Ziel kann mittels Laserlicht erreicht werden. Im Allgemeinen lässt sich jedes molekulare System durch Molekül-Feld-Wechselwirkungen steuern und so ein gewünschtes Produkt erhalten. Diese Universalität leitet sich aus der unendlichen Vielzahl der Laserparameter ab, die so angepasst werden können, dass elektromagnetische Felder unterschiedlichster Form und Farbe erzeugt werden können (vgl. z.B. die Wigner-Verteilung eines Pulses mit Chirp dritter Ordnung in der Abbildung). Auf diese Weise können chemische Bindungen selektiv geformt und gebrochen werden. Wir verwenden Quantendynamik-Simulationen, um die Mechanismen aufzudecken, die solchen Photodissoziations- und Assoziations-Prozessen zugrundeliegen.

De-novo Enzymdesign

Katalyse ist einer der wichtigsten Prozesse für chemische Reaktionen. In der Nature wird die Aufgabe als Biokatalysator von Enzymen (in der Regel Proteine) übernommen, welche höchste Effizienz und Selektivität bieten. Daher werden Enzyme auch im Labor für chemische Reaktionen unter milden Bedingungen verwendet. Jedoch existieren nicht für alle synthetisch wichtigen Reaktionen die passenden Enzyme. Aus diesem Grund werden im Forschungsfeld des De-Novo Enzymdesigns am Computer eine Aminosäure-Sequenz identifiziert, die ein Enzym für eine gewünschte Reaktion ergibt. Die hierfür nötigen Kenntnisse über den Übergangszustand der Reaktion sowie die Proteinfaltung wird mit verschiedenen Ansätzen erhalten, welche von ab initio Quantenchemie bis zur Bioinformatik reichen.