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Computer statt Kittel - Was ist eigentlich Computerchemie?

VON THOMAS KÖRZDÖRFER

Der Einsatz von Großrechnern und moderner Software erlaubt es Wissenschaftlern, die Eigenschaften neuartiger Moleküle und Materialien auf dem Computer vorherzusagen und zu optimieren. Einblicke in ein interdisziplinäres Fachgebiet.

Computer statt Kittel© ra2 studio - Fotolia.comSpezialisten der Theoretischen Chemie sind begehrt - eine neue Teildisziplin stellt sich vor
Die Computerchemie (engl. Computational Chemistry) ist ein Teilgebiet der Theoretischen Chemie und wird häufig als Angewandte Theoretische Chemie verstanden. Ihr Ziel ist die Beantwortung von chemischen, physikalischen und materialwissenschaftlichen Fragestellungen mit Hilfe von Computersimulationen. Die Grundlage für diese Berechnungen bildet die Kombination von Methoden aus der Theoretischen Chemie und Physik mit effizienten und leistungsfähigen Computerprogrammen.

Neben der Verbesserung der vorhandenen Methoden gehören auch die Entwicklung der Software sowie die Anwendung auf konkrete chemisch-physikalische Fragestellungen zu den Kernaufgaben des Fachgebietes. Bedingt durch die verwendete Methodik und die zugrunde liegenden Problemstellungen besteht eine große fachliche Nähe zur theoretischen Physik kondensierter Materie sowie zu den Materialwissenschaften, in Teilen auch zur Biochemie, Biologie und Informatik. Dabei ist die Computerchemie insbesondere von der Chemoinformatik zu unterscheiden, welche sich vorwiegend mit der digitalen Darstellung von Molekülstrukturen beschäftigt.

Ziele

Bereits seit der Entwicklung der ersten leistungsfähigen Computer in den 1950er Jahren nutzen Wissenschaftler ihre Rechenleistung für die quantenchemische Analyse der strukturellen, chemischen und elektronischen Eigenschaften von Molekülen und Festkörpern. Chemische und physikalische Berechnungen stellen auch heute noch die Hauptanwendungen einiger der größten zivilen Superrechner der Welt dar, wie etwa dem chinesischen TIANHE-2 oder dem Jülich Blue Gene. Die Ziele dieser Rechnungen sind dabei so vielfältig wie die untersuchten Materialien und die verwendeten Methoden.

So werden computerbasierte Rechnungen unter anderem dazu verwendet, experimentell erhaltene Ergebnisse zu erklären, gefundene Zusammenhänge theoretisch zu untermauern, Vorhersagen für noch ausstehende Experimente zu treffen oder das Potential neuer Materialien, Katalysatoren, oder medizinischer Wirkstoffe zu erkunden.

Methoden

Die unterschiedlichen Herausforderungen an theoretische Methoden in den verschiedenen Teilbereichen der Chemie, Biochemie, Physik und den Materialwissenschaften haben zur Entwicklung einer großen Vielfalt an optimierten und spezialisierten Methoden geführt. So wird beispielsweise die klassische Molekülmechanik häufig verwendet, um die vor allem in der medizinischen Wirkstoffforschung essentiellen Protein-Ligand Wechselwirkungen zu untersuchen.

Mit Hilfe ähnlicher Rechnungen gelang es vor Kurzem einem Forscherteam der amerikanischen University of Illinois, die Struktur der gesamten Schutzhülle des HI-Virus, bestehend aus rund 64 Millionen Atomen, am Computer aufzuklären. Ähnliche Methoden liefern Forschern entscheidende Hinweise für das Design verbesserter heterogener Katalysatoren oder medizinischer Wirkstoffe. Quantenchemische Berechnungen dagegen finden häufig Anwendung bei der Untersuchung der elektronischen und optischen Eigenschaften von Molekülen oder Festkörpern. Eine Vielzahl verschiedener Hybridmethoden versucht, die Vorteile der unterschiedlichen klassischen und quantenmechanischen Zugänge zu vereinen und damit für bestimmte Fragestellungen zu optimieren. Ein Beispiel für solche Hybridmethoden sind die sog. Multiskalenmodelle, deren Entwicklung und Anwendung mit dem Chemie-Nobelpreis 2013 ausgezeichnet wurde.

Aufgaben

Zum Aufgabengebiet der Computerchemie zählen die technische Umsetzung, die Weiterentwicklung und das Testen neuer theoretischer Methoden. Nicht selten benötigen anspruchsvolle computerchemische Rechnungen die Rechenleistung von einigen hundert bis einigen tausend paralleler Prozessoren, zum Teil über mehrere Wochen oder gar Monate hinweg. Dies verdeutlicht, warum die Entwicklung möglichst effizienter und ressourcenoptimierter Computeralgorithmen eine zentrale Bedeutung in der Computerchemie einnimmt.

Ein solides Verständnis der zu untersuchenden chemischen, biologischen oder physikalischen Prozesse, der theoretischen Methoden und der verwendeten Computerprogramme ist dabei unerlässlich. Das Anforderungsprofil an einen Computerchemiker beinhaltet daher neben einer fundierten Ausbildung in Chemie und/oder Physik auch eine Affinität zu theoretisch-mathematischen Fragestellungen, Programmierung und Computeranwendungen.

Anwendungsgebiete

Die typischen Anwendungsgebiete von computerchemischen Rechnungen liegen im Bereich der Grundlagenforschung. Häufig arbeiten Computerchemiker in engen Kollaborationen oder Forschungsverbünden mit experimentellen Arbeitsgruppen aus der Chemie, Physik oder den Materialwissenschaften an gemeinsamen Projekten. Die enge Zusammenarbeit von Theorie und Experiment führt zu positiven Synergie-Effekten und ermöglicht so häufig ein verbessertes und fundiertes Verständnis der erhaltenen Resultate.

Neben Universitäten und anderen öffentlichen Forschungseinrichtungen unterhalten auch einige größere Unternehmen der chemischen und pharmazeutischen Industrie eigene Theorie-Abteilungen, welche die interne Grundlagenforschung durch computerchemische Rechnungen unterstützen. Tatsächlich gleicht die Entwicklung von neuartigen Materialien oder medizinischen Wirkstoffen häufig der Suche nach einer Nadel im Heuhaufen. Computerchemische Methoden können hier beispielsweise durch sog. Data-Mining Verfahren, in welchen die Eigenschaften vieler Millionen verschiedener Molekülstrukturen mit Hilfe von computer-chemischen Verfahren berechnet, gespeichert und mit Hilfe statistischer Methoden ausgewertet werden, einen wertvollen Beitrag leisten. Mit einem relativ geringen Aufwand an Kapital, Zeit und Personal können auf diese Weise vielversprechende Materialien oder Wirkstoffe identifiziert werden.

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Ausblick

Die Weiterentwicklung theoretischer Methoden und der anhaltend rasante Fortschritt in der Entwicklung verbesserter Computerhardware tragen dazu bei, dass die Computerchemie auch in den kommenden Jahren weiter an Bedeutung gewinnen wird. Bereits heute zeichnet sich ab, dass etwa Data-Mining Projekte in Zukunft einen essentiellen Beitrag leisten können, z.B. bei der Entwicklung verbesserter medizinischer Wirkstoffe, Katalysatoren oder neuartigen Materialien für die Optoelektronik. In der nahen Zukunft besteht eine der größten Herausforderungen für die Computerchemie darin, Methoden und Algorithmen zu entwickeln, welche die Möglichkeiten der neuen und sehr leistungsstarken Graphikprozessoren (GPUs) optimal nutzen.


Über den Autor
Thomas Körzdörfer ist Juniorprofessor für Computerchemie an der Universität Potsdam.

Aus Forschung & Lehre :: Mai 2014

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