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Weiterentwicklung der DFTB-Methode

Die Simulation verschiedener Prozesse in Festkörpern oder biologischen Systemen gewinnt in den letzten Jahren zunehmend an Bedeutung. Effiziente Algorithmen und leistungsstarke Prozessoren ermöglichen Anwendern die Beobachtung von Systemen mehrerer hundert tausend Atome über Microsekunden. Die Herausforderung der Forschung liegt hierbei darin, einen Kompromiss zwischen dem Rechenaufwand einer Simulation und der gewünschten Information zu finden. Sog. ab-inito Methoden oder die Dichtefunktionaltheorie (DFT) ermöglichen den Zugang zu den meisten gewünschten Eigenschaften des Systems. Da sie aber die Schrödingergleichung mit aufwändiger Berechnung von Integralen lösen müssen, sind sie nur in kleinem Maßstab durchführbar. Ihnen gegenüber stehen die sehr effizienten Kraftfeldmethoden, die aber aufgrund ihrer empirischen Natur nicht zuverlässig alle Eigenschaften eines Systems beschreiben können.
Density Functional Tight Binding (DFTB) beschreibt eine Klasse von genäherten DFT-Methoden [1, 2, 3]. Hierbei werden während der Laufzeit des Programms keine Integrale berechnet, was eine Beschleunigung der Rechenoperationen um bis zu drei Größenordnungen bei vergleichbarer Genauigkeit ermöglicht. DFTB zeichnet sich vor allem durch seine Nähe zur Theorie aus, was sich durch die Stabilität von Berechnungen mit DFTB, z.B. an großen biologischen Systemen, zeigt [4]. Auch ist DFTB im Gegensatz zu anderen Methoden sowohl für molekulare Systeme als auch für Festkörper einsetzbar.
Zukünftige Entwicklungen sollen bestehende Defizite speziell in biologisch-chemischen Systemen korrigieren. Eine bessere Beschreibung struktureller und energetischer Information supramolekularer Systeme und nicht-bindender Wechselwirkungen sind Hauptziele des unserer Forschung. Diese findet in mehreren Kooperationen mit der Arbeitsgruppe Theoretische Chemische Biologie statt, mit Zusammenarbeit in Asien, Amerika und natürlich Europa. Hiermit soll eine breite Anwendbarkeit quantenchemischer Methodik in der biologischen Forschung und Entwicklung möglich werden, die sich durch hohe Effizienz auszeichnet.
 
Um mehr über DFTB zu lernen, besuchen Sie:
http://www.dftb.org/
http://www.dftb-plus.info/

[1] D. Porezag, T. Frauenheim, T. Köhler, G. Seifert, and R. Kaschner Phys. Rev. B 51 (1995) 12947.
[2] M. Elstner, D. Porezag, G. Jungnickel, J. Elsner, M. Haugk, T. Frauenheim, S. Suhai, and G. Seifert Phys. Rev. B 58 (1998) 7260.
[3] M. Gaus, Q. Cui, and M. Elstner J. Chem. Theory Comput. 7 no. 4, (2011) 931.
[4] H. Liu, M. Elstner, E. Kaxiras, T. Frauenheim, J. Hermans, and W. Yang PROTEINS 44 (2001) 484.