100 Jahre später: Wie die Quantenmechanik die Materialwissenschaft revolutioniert

Prof. Dr. Ralf Drautz, Ruhr-Universität Bochum

Die Geschichte der Menschheit ist so eng mit Werkstoffen verknüpft, dass ganze Epochen nach ihnen benannt wurden. Über Jahrtausende – von der Steinzeit bis zum Beginn der Industriellen Revolution – basierte der Fortschritt auf reinem Ausprobieren, ohne ein tieferes Verständnis der zugrunde liegenden Materialien und Prozesse. Dies änderte sich grundlegend mit der Geburtsstunde der modernen Metallurgie im Zuge der Aufklärung. Man erkannte erstmals, dass die im Mikroskop sichtbare Mikrostruktur von Metallen deren mechanische Eigenschaften maßgeblich bestimmt.
Mit der Entwicklung der Quantenmechanik vor 100 Jahren wurde schließlich klar, dass sich im Grunde sämtliche Materialeigenschaften mathematisch beschreiben und berechnen lassen. Doch die praktische Durchführung dieser Berechnungen schien lange Zeit unerreichbar. Erst die Entwicklung leistungsfähiger Computer und effizienter Algorithmen, gepaart mit spezialisierten Datensätzen und komplexen Simulationsprotokollen, hat uns heute die Tür zur Ära der computergestützten Entdeckungen geöffnet.

In meinem Vortrag werde ich kurz die Herausforderungen skizzieren, welche die Berechnung von Materialeigenschaften auf Basis der Quantenmechanik mit sich bringt, und wesentliche Meilensteine der vergangenen 100 Jahre zusammenfassen. Anschließend werde ich auf aktuelle Entwicklungen eingehen und zeigen, wie diese das Periodensystem der Elemente zu einem Baukasten für neue Materialien machen. Tatsächlich ermöglichen es die neuesten methodischen Fortschritte, den Schulterschluss zwischen grundlegender Quantenmechanik und Materialentwicklung im industriellen Umfeld zu vollziehen, was ich anhand konkreter Beispiele demonstrieren werde. Den Abschluss bildet ein Ausblick auf die aktuellen Grenzen und die nächsten Schritte dieser technologischen Revolution.

Ralf Drautz ist Professor für Physik und Astronomie an der Ruhr-Universität Bochum und Geschäftsführender Direktor des Interdisciplinary Centre for Advanced Materials Simulation (ICAMS). Nach seiner Promotion, welche er am Max-Planck-Institut für Metallforschung in Stuttgart angefertigt hat, führten ihn Forschungsstationen an die University of Texas at Austin sowie die University of Oxford. 
Im Jahr 2008 wurde er als Gründungsdirektor an das ICAMS berufen und hat dessen Ausbau zu einer international führenden Institution für skalenübergreifende Materialmodellierung seither maßgeblich mitgestaltet.

Professor Drautz ist der Entwickler der Atomic Cluster Expansion (ACE) und der Graph Atomic Cluster Expansion (GRACE). Seine Forschung konzentriert sich darauf, die Lücke zwischen elektronischer Strukturtheorie und großskaliger atomistischer Simulation durch fundamentale Machine-Learning-Potenziale zu schließen. Durch die quantengenaue Vorhersage thermodynamischer und kinetischer Eigenschaften liefert seine Arbeit die Werkzeuge zur beschleunigten Entdeckung und zum Design neuartiger Struktur- und Funktionswerkstoffe.