Forschung im HLRN-Verbund 2011

7Abbildung 1: Schnappschuss einer ”ab-initio“-Molekulardynamiksimulation der Rekombinationsreaktion eines Protonsund eines Elektrons in einem Wassercluster, aus [4]dem Zeitschritt der Simulationen die Energienbzw. Kräfte aus der Elektronenstruktur berechnetwerden. Solche Ansätze werden als ”ab-initio“-Molekulardynamik (AIMD)-Verfahren bezeichnet,weil sie ohne Modellannahmen die Schrödinger-Gleichung (für die Wellenfunktion) oder die Kohn-Sham-Gleichung (für die Dichte) der Elektronenlösen. Diese Ansätze haben sich in den letzten25 Jahren, bedingt durch die Weiterentwicklungder Theorie und der Computer-Hardware, in weitenBereichen der computergestützten Physik undChemie etabliert und können heute auch zur Simulationmittlerer bis großer molekularer Systemeeingesetzt werden. Das an der Universität Zürichentwickelten Programmpaket CP2K implementierdie AIMD algorithmisch sehr effizient und profitiertvon der massiv-parallelen Architektur der HLRN-Computer.Erste Ergebnisse unserer AIMD-Simulationenvon Elektronen und Protonen in Wasserclustern(aus einem vorhergehenden HLRN-Großprojekt)zeigen das Potenzial dieser Methoden und stelleneinen wichtigen Zwischenschritt dar: So konntein unserer Arbeit [2] die Struktur von solvatisiertenElektronen untersucht und zur Interpretationexperimenteller Spektren heran gezogenwerden. Weiterhin wurde die Dynamik derElektron-Lokalisierung und der zugehörigen Re-Orientierung des umgebenden Wassers auch alsFunktion der Temperatur untersucht [3]. In eineranderen Untersuchung [4] konnten wir zeigen, wiedie Dynamik der einfachsten Rekombinationsreaktioneines Protons mit einem Elektron von der(Mikro-)Solvatation in Wasser beeinflussst wird.Mehr zum Thema1. Marx, D.; Tuckerman, M. E.; Hutter, J.; Parrinello,M., 1999: The Nature of the Hydrated ExcessProton in Water. Nature, 397, 601-604.doi:10.1038/175792. Frigato, T.; Van de Vondele, J. ; Schmidt, B.;Schütte, Ch. Jungwirth, P., 2008: Ab Initio MolecularDynamics Simulation of a Medium-SizedWater Cluster Anion. J. Phys. Chem. A, 112,6125-6133. doi:10.1021/jp711545s3. Marsalek, O.; Uhlig, F.; Frigato, T.; Schmidt,B.; Jungwirth, P., 2010: Dynamics of ElectronLocalization in Warm vs. Cold WaterClusters. Phys. Rev. Lett., 105, 043002.doi:10.1103/PhysRevLett.105.0430024. Marsalek, O.; VandeVondele, J.; Bradforth, S.E.; Frigato, T.; Schmidt, B.; Schütte, Ch.; Jungwirth,P., 2010: Hydrogen Forms in Water byProton Transfer to a Distorted Electron. J. Phys.Chem. B, 114, 915-920. doi:10.1021/jp908986zFörderungCenter for Scientific Simulation (Exzellenzprogrammder FU Berlin)Chemie