DFG bewilligt Verlängerung für Sonderforschungsbereich 716 – Die Teilchen tanzen weiter

„Mit ihrer Entscheidung honoriert die DFG einerseits die Exzellenz der Stuttgarter Naturwissenschaften, zum anderen aber insbesondere auch die international herausragende Stellung der Universität Stuttgart auf dem Gebiet der Simulationstechnologien und Visualisierung sowie deren hervorragende Ausstattung und Know-how im Bereich des Höchstleistungsrechnens“, so Uni-Rektor Prof. Wolfram Ressel.

Ziel des im Jahr 2007 angelaufenen Sonderforschungsbereiches 716 (Sprecher Prof. Hans-Rainer Trebin) ist es, im Computer Teilchensysteme zu simulieren. Da alle Materie aus Teilchen (Partikeln) beziehungsweise auf der untersten Stufe aus Atomen aufgebaut ist, kommen solche Systeme in unserer Welt in vielfacher Weise vor. Dementsprechend arbeiten im Rahmen des Sonderforschungsbereichs Wissenschaftler aus insgesamt fünf Fakultäten, darunter der Mathematik und Physik, der Informatik und der Energie-, Verfahrens- und Biotechnik zusammen. Als fakultätsübergreifende Einrichtungen sind das Höchstleistungsrechenzentrum sowie das Visualisierungszentrum der Universität beteiligt.

Ein Bereich des SFB befasst sich mit Prozessen in Festkörpern auf atomistischer Skala. Die Wissenschaftler simulieren zum Beispiel, wie ein Laserstrahl auf einen Aluminiumblock trifft, die Oberfläche aufschmilzt und durch Auswurf des Materials ein Loch bohrt. Indem man im Rechner die Intensität des Strahles, seine Form und Dauer variiert, kann man den Prozess optimieren, ohne ein reales Experiment durchführen zu müssen. Ebenso kann man mit atomistischen Simulationen studieren, wie sich metallische Leiterbahnen in einem Schaltkreis von ihrem isolierenden Untergrund lösen und damit zum Beispiel ein Handy unbrauchbar machen. Darüber hinaus wollen Forscher herausfinden, wie man optimal Nanodiamanten erzeugen und darin Stickstoffatome implantieren kann. Deren Leuchten macht einerseits die Nanodiamanten zu idealen Biomarkern. Andererseits erhofft man sich, die elektronischen Zustände der Implantate als Prozessoren für Quantencomputer nutzen zu können.

Bei den Partikel-Simulationen auf atomarer Skala, auch Molekulardynamik genannt, wird der Weg eines jeden einzelnen Teilchens berechnet, den es unter den Einflüssen seiner Nachbarn und äußerer Kräfte durchläuft. Dazu ist es erforderlich, die Kraftgesetze, mit denen sich die Teilchen beeinflussen, so genau wie möglich zu erforschen. Mit der Molekulardynamik lassen sich aber insbesondere auch biologische Systeme erforschen. Im SFB werden Struktur und Flexibilität von Proteinen in Lösungsmitteln simuliert und der Transport von Proteinen durch Zellmembranen. Ohne experimentellen Aufwand kann man die Folgen von Mutationen beobachten. Es ist geplant, biologische Reaktionsmechanismen zu untersuchen, wie etwa die Anbindung von Liganden an Enzyme. Derartige Prozesse führen zu Komplexen, welche Abstoßungsreaktionen bei Organplantationen verhindern oder durch Signalkaskaden die Krebsbildung stören. Weitere Bereiche des SFB betrachten exotische Kristallstrukturen von Nanoteilchen oder größere Partikel, wie etwa Kohlenstoffteilchen, die sich in turbulenten Flammenströmungen zu Rußflecken zusammenbacken. Stärker anwendungsorientiert sind Studien des Abriebs in Maschinenteilen, die von Flüssigkeiten oder Gasen durchströmt werden, wie Pumpen oder Strahltriebwerke.

Bei den atomistischen Simulationen stellt sich das große Problem, dass die Atome unvorstellbar klein und ihre Bewegungen extrem schnell sind. Für die Berechnung braucht man deshalb Höchstleistungsrechner in Form von Computer-Clustern mit Tausenden von Prozessoren. Die Teilchenzahl und die Simulationszeiten zu steigern, ist das vorrangige Ziel des Sonderforschungsbereiches. Dazu bedarf es nicht nur neuer Hardware-Architekturen, sondern auch neuer Algorithmen, Programmierparadigmen und Speicherstrategien. Bei den Rechnungen fallen riesige Datenmengen an, für deren Interpretation die Visualisierung unverzichtbar ist. Die Extraktion von Merkmalen extrem vieler Teilchen und ihre graphische Darstellung in Echtzeit ist eine große Herausforderung für die am SFB beteiligten Informatiker.

Weitere Informationen: Prof. Hans-Rainer Trebin, Institut für Theoretische und Angewandte Physik, Tel. 0711/685-65255, e-mail: trebin@itap.uni-stuttgart.de