Prof. Dr. Janine George von der Friedrich-Schiller-Universit?t Jena und der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) erh?lt vom Europ?ischen Forschungsrat (ERC) einen Starting Grant in H?he von rund 1,5 Millionen Euro. Diese F?rderung unterstützt für fünf Jahre ihr Forschungsprojekt ?Multibonds“, das auf ein grundlegend neues Verst?ndnis der Zwei- und Mehrzentrenbindungen bei anorganischen Substanzen zielt. Die Erkenntnisse sind entscheidend, um z. B. ma?geschneiderte Materialien für die Energiewende entwickeln zu k?nnen.?

Es sind die chemischen Bindungen zwischen Atomen, die über die Eigenschaften eines Materials entscheiden, etwa über die H?rte eines Kristalls oder die W?rmeleitf?higkeit oder den Magnetismus eines Metalls. ?Seit rund hundert Jahren untersucht die Chemie diese Bindungen, um aus ihnen feste Regeln für die Materialeigenschaften abzuleiten“, erkl?rt Janine George, die an der BAM die Nachwuchsgruppe Computergestütztes Materialdesign leitet und an der Friedrich-Schiller-Universit?t Jena als Professorin für Materialinformatik t?tig ist.?

Bereits im vergangenen Jahr wurde George für ihre innovative Forschung, wie sich mit Hilfe Künstlicher Intelligenz und quantenmechanischer Berechnungen die Entwicklung neuer Materialien beschleunigen l?sst, durch die Stiftung Werner-von-Siemens-Ring ausgezeichnet.

Bisher unvollst?ndiges Verst?ndnis der chemischen Bindung

Besondere Relevanz hat diese Forschung für Bestrebungen, die Auswirkungen des Klimawandels zu begrenzen. ?Bisher ist es nur sehr eingeschr?nkt m?glich, ma?geschneiderte Werkstoffe mit bestimmten Eigenschaften, etwa für leistungsst?rkere und gleichzeitig nachhaltige Batterien oder für effizientere Solarzellen, zu entwickeln“, erkl?rt Janine George. ?Der Grund ist unser immer noch sehr unvollst?ndiges Verst?ndnis der chemischen Bindung in anorganischen Materialien wie Metallen, Gl?sern, Kristallen. Für die meisten Materialeigenschaften fehlen schlicht nachvollziehbare Regeln. Das limitiert unsere M?glichkeiten, ma?geschneiderte Materialien zu entwerfen.“

Mehrzentrenbindungen für Materialeigenschaften entscheidend

Die aussagekr?ftigste Methode, Bindungen zwischen Atomen zu analysieren, ist die Quantentheorie, wie Janine George und ihr Team bereits erfolgreich an Bindungen zwischen zwei Atomen nachweisen konnten. Mehrzentrenbindungen, an denen drei oder mehr Atome beteiligt sind, spielen jedoch vermutlich ebenfalls eine gro?e Rolle für die Eigenschaften eines Materials. Sie sind beispielsweise für die Superh?rte von borhaltigen Verbindungen verantwortlich, die als Schneid- und Bohrwerkzeuge für industrielle Anwendungen, in Triebwerkskomponenten in der Luft- und Raumfahrt oder bei chirurgischen Werkzeugen zum Einsatz kommen.

Beschleunigte Entwicklung ma?geschneiderter Materialien

Auf das Verst?ndnis dieser Mehrzentrenbindungen zielt das neue Projekt ?Multibonds“ an der BAM, dem jetzt ein ERC Starting Grant zuerkannt wurde. ?Wir wollen automatisierte quantenchemische Methoden entwickeln, um mit ihnen Mehrzentrenbindungen in gro?em Ma?stab analysieren zu k?nnen“, so George. ?Die so erstellte Datenbank nutzen wir dann, um mit Hilfe des maschinellen Lernens neuartige Modelle zu entwickeln, mit denen wir Vorhersagen treffen k?nnen, wie sich innovative Werkstoffe verhalten. Mit ihnen wollen wir schlie?lich zu intuitiv verst?ndlichen und universell gültigen Regeln zum Verh?ltnis zwischen Bindungen und Materialeigenschaften gelangen, um in Zukunft die Entwicklung neuer Materialien deutlich beschleunigen zu k?nnen.“?