Parameter Space Concept als Strukturlösungsmethodik für die Einkristalldiffraktometrie

• Antragsteller: Professor Dr. Matthias Zschornak, seit 7/2023
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie ; Mineralogie, Petrologie und Geochemie
• Förderung: Förderung seit 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 442646446

Das hier beantragte Vorhaben zielt darauf ab, das theoretisch weitgehend ausgearbeitete Parameter Space Concept (PSC) zur atomar aufgelösten Strukturbestimmung von kristallinen Materialien aus Diffraktometrie-Daten auf die Stufe der anwenderfreundlichen Nutzung zu heben. Seit dem Jahr 2005 wurden die Lösungsalgorithmen des PSC kontinuierlich verfeinert, bis zur Anwendbarkeit für allgemeine, nicht-zentrosymmetrische dreidimensionale Strukturen. Nach und nach konnten immer komplexere Herausforderungen der Strukturbestimmung erfolgreich gelöst erden. Darüber hinaus wollen wir auch versuchen, "selbst-lernende" IT-Techniken (KI) auf dafür geeignete Teile des PSC anzuwenden. Allgemeines Ziel des Vorhabens ist nicht, eine Konkurrenz zu den im Wesentlichen auf Fourier-Techniken aufbauenden Konzepten (z.B. SHEL-X) zu etablieren. Vielmehr sollen die prinzipiellen Überlegenheiten des PSC dort genutzt werden, wo z.B. eine "Problem-Struktur" vorliegt. Dies betrifft u.a. material-wissenschaftliche Probleme, etwa bei ferroischen Substanzen oder solchen mit atomarer Fehl- oder Mischordnung, und somit Fälle von pseudosymmetrischen Strukturen, die konventionell oft schwierig oder nicht lösbar sind. Nicht zuletzt kann bei makromolekularen Strukturen eine präzise und eindeutige Positionierung von Schweratomen erzielt werden, als solide Basis zur anschließenden Routine-Bestimmung der Leichtatom-Parameter.Prinzipielle Stärken des PSC sind insbesondere, dass nur „hinreichend viele” Reflex-Amplituden benötigt werden und das Phasenproblem entfällt. Idealerweise genügen bei m Atomen 3m unabhängige, fehlerfreie und absolut skalierte Amplituden, um die Struktur mit „unendlicher“ Ortsauflösung zu finden. Prinzipielle Schwachstelle des PSC ist insbesondere der große Rechenaufwand (steigt mehr als exponentiell mit m – curse of dimensions – dagegen nur linear mit der Zahl n der genutzten Reflex-Amplituden). Diese Limitierung wird durch den rasanten Anstieg allgemein zugänglicher Rechenleistung nach und nach aufgehoben, sodass nach aktuellen Abschätzungen die Methodik voraussichtlich bereits Strukturen mit ca. hundert Freiheitsgraden bewältigen kann. Im Fokus des Vorhabens steht darauf aufbauend die Umsetzung der Algorithmen in ein Programm in Form eines möglichst dem black-box-Prinzip nahen Pakets für Routinenutzer der Einkristalldiffraktometrie. Teilziele sind die Vereinheitlichung der Algorithmusstrukturen, die Berechnung entsprechender Datenfelder basierend auf Reduktion experimenteller Diffraktometrie-Daten bzw. nach den Strategien des grid computings, als auch die Anwendung dieser Basis auf weitere komplexere Strukturlösungsprobleme, sowie die anschließende Ausarbeitung des Programms mit ausführlichen Tests für Diffraktometrie-Daten beliebiger Kristallstrukturen. Bisher wurde die PSC-Methodik trotz genannter Vorteile in Standardprogrammen als Alternative zu den bereits etablierten Verfahren der direkten bzw. Fourier-basierten Methoden noch nicht implementiert.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortlich: Professor Dr. Karl F. Fischer
• Ehemaliger Antragsteller: Professor Dr. Dirk Carl Meyer, bis 7/2023