Entwicklung und Anwendung von ab initio Simulationstechniken zur genauen und effizienten Vorhersage von Schmelzeigenschaften

• Antragstellerin: Li-Fang Zhu, Ph.D.
• Fachliche Zuordnung: Computergestütztes Werkstoffdesign und Simulation von Werkstoffverhalten von atomistischer bis mikroskopischer Skala ; Thermodynamik und Kinetik sowie Eigenschaften der Phasen und Gefüge von Werkstoffen
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 493417040

Schmelzeigenschaften von Materialien wie beispielsweise die Schmelztemperatur, die Schmelzentropie und -enthalpie, und die Volumenänderung am Schmelzpunkt, haben große wissenschaftliche und technologische Bedeutung. Sie sind eine Schlüsselkomponente der Multi-Komponenten-Phasen-Diagrammen. Experimentelle Messungen dieser Grössen sind jedoch aufwendig, teuer und sehr zeitintensiv. Einige von ihnen können experimentell überhaupt nicht bestimmt werden wie beispielsweise Schmelzeigenschaften meta-stabiler oder dynamischer Phasen. Diese sind jedoch entscheidend für die Bestimmung der Phasen-Diagramme von Multi-Komonenten-Systemen. Um diese Herausforderungen zu adressieren hat die Antragstellerin bereits zuvor eine moderne Methodik entwickelt, die es erlaubt, Schmelzeigenschaften mittels parameterfreier ab-initio Simulationstechniken zu berechnen. Dieses Verfahren verbindet die ab-initio-Genauigkeit mit der hoher Recheneffizienz. Es wurde bereits erfolgreich für Untersuchungen stabiler unärer Phasen eingesetzt. In der aktuellen Form gilt es jedoch noch einige kritische Herausforderungen zu lösen. Das hier vorgestellte Projekt hat den Fokus auf die Lösungen dieser Probleme, um das Verfahren zu generalisieren. Erstens: Trotz der signifikanten Verbesserung der Recheneffizienz ist der ab initio Rechenaufwand der Methode immer noch sehr hoch. Es wird ein neuer Ansatz vorgeschlagen, um die Rechengeschwindigkeit weiter zu verbessern, indem kürzlich entwickelte Möglichkeiten des maschinellen Lernens genutzt werden. Zweitens ist die Methode bisher auf stabile und metastabile Phasen anwendbar (allerdings noch nicht getestet), aber nicht auf dynamisch instabile Phasen. Die Berechnung der freien Energie von instabilen Phasen ist eine langjährige Herausforderung in der Materialwissenschaft. Daher ist eine Weiterentwicklung notwendig, um effizient auf die Schmelzeigenschaften instabiler Phasen zugreifen zu können. Es wird ein neuartiger Ansatz vorgeschlagen, um die freie Energie von metastabilen und instabilen Phasen bei finiten Temperaturen zu berechnen. Drittens ist eine Erweiterung der Methodik von unären auf binäre Systeme notwendig. Diese Entwicklung kann ein Durchbruch zur Vorhersage der Schmelzeigenschaften von Mehrkomponenten-Legierungen sein. Viertens: Die Methodik kombiniert empirische Potentialberechnungen und ab initio Molekulardynamiksimulationen. Die praktische Anwendung der Methodik erfordert ausgefeilte Anwenderkenntnisse und leidet unter vielen technischen Problemen. Dies hat sich zu einem ernsthaften Engpass für allgemeine Anwendungen entwickelt. Um dies zu überwinden, zielt das Projekt darauf ab, die Methodik zu einem einfach zu bedienenden Simulationswerkzeug zu optimieren, das von hohem Wert für den Bereich der Materialwissenschaften sein wird.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen