Project

nanocellulose; computational chemistry; metal-DNA; core level spectroscopy; XPS; high performance computing; simulations; GW

Lead
Computergestützte Simulationen haben sich in den letzten Jahren rasch zu einer vielseitigen und ergänzenden Methode zu rein experimentell oder theoretisch ausgerichteten Ansätzen entwickelt. Simulationen können ein wichtiges Werkzeug im wissenschaftlichen Erkenntnisgewinn sein, wo man mit experimentellen Methoden nicht weiterkommt. In diesem Projekt soll die computerbasierte Berechnung von Kernenergiespektren weiterentwickelt werden. Akkurate Simulationen von Spektren sind wichtig um experimentelle Ergebnisse zu interpretieren, was vor allem für komplexe Moleküle von Interesse ist.
Lay summary
Inhalt und Ziel des Forschungsprojekts Das Ziel dieses Projekts ist die Entwicklung und Anwendung computergestützter Simulationen von Kernenergiespektren großer Moleküle. Im Detail verfolgt das Projekt folgende Ziele: i) Die Validierung des sogenannten GW-Ansatzes, der bisher erfolgreich für Valenzspektren angewandt wurde, für Kernspektren. ii) Die methodische Entwicklung und die Implementierung in den FHI aims Code wird den Arbeitsspeicherverbrauch und das Scaling der GW-Methode drastisch senken, wodurch die Berechnung großer Systeme möglich wird. iii) Die neue Methode wird angewandt werden um metall-stabilisierte DNS-Kluster und Nanocellulose zu simulieren. Wissenschaftlicher und gesellschafticher Kontext Mit diesem Projekt wird die GW-Methode weiterentwickelt, wodurch die Simulation von komplexen Molekülen möglich wird. Dies unterstützt und vervollständigt die experimentelle Arbeit. Mithilfe der Entwicklungen in diesem Projekt wird die Simulation von neuen innovativen Materialien und nachhaltigen Ressourcen wie Nanocellulose möglich sein. Nanocellulose, zum Beispiel, hat Potential das nächste "Supermaterial" zu werden, da es als Ersatz für Plaste oder Glas sowie als Verstärkung in Stahl verwendet werden kann.

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Last update: 15.08.2016

Active participation

This proposal addresses the development of theoretical spectroscopy to study the core levels of molecules. An important core-level technique is X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), which can assess the binding energy of the core electrons. XPS is a powerful tool to elucidate the chemical structure of molecules, materials and liquids and to monitor adsorption processes at surfaces. The accurate simulation of XP spectra is important to support the interpretation of experimental XPS data of complex molecules. The workhorse of electronic structure simulations, density functional theory (DFT), fails to reproduce relevant spectroscopic properties. Accurate simulations of XP spectra can be achieved with the GW method. The latter is computationally more expensive than DFT and is currently restricted to system sizes of less than 200 atoms. For this project, I propose to advance the GW method for application to large molecules of several hundreds of atoms. The new efficient GW approach will be used to simulate XP spectra of metal-DNA clusters, which have recently attracted attention due to their possible application in biochemistry and nanotechnology. The method will be further applied to nanocellulose, which could become a new „super material“ due to its potential to replace glass, steel and plastic. For the applications, I will work in close collaboration with experimentalists.