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Datenbank für Strukturen

01.12.2005


MaterialsGrid - ein Projekt zur systematischen Erforschung der Struktureigenschaftsbeziehungen von Festkörpern



Die Suche nach neuen Werkstoffen und Materialien mit ’maßgeschneiderten’ Eigenschaften für bestimmte Anwendungen ist ein wichtiger Forschungsgegenstand in den Materialwissenschaften, aber auch in der Chemie, Physik und Kristallographie.

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In der Grundlagenforschung ist das Verständnis des Zusammenhangs zwischen Struktur und Eigenschaften ein zentrales Arbeitsgebiet: es ist heute bekannt, warum Diamant hart, inkompressibel und transparent ist, während Graphit weich und sehr kompressibel ist und das Licht stark absorbiert, obwohl beide aus dem selben Element, nämlich Kohlenstoff, bestehen.

Ein derart vertieftes Verständnis für alle Strukturen würde es erlauben, von gewünschten Eigenschaften auf die passende Verbindung zurückzuschließen. Dieses Wissen kann jedoch, angesichts der großen Zahl möglicher Verbindungen und des hohen Kostenaufwandes nicht mit experimentellen Untersuchungen generiert werden.

Statt dessen ist es sinnvoll, Eigenschaften mit Computersimulationen, die seit einigen Jahren in der ’Computational Crystallography’ und den eng verwandten Nachbardisziplinen in Chemie und Physik eingesetzt werden, vorherzusagen und auf ihre Anwendbarkeit zu testen.

Im Rahmen eines internationalen Konsortialprojektes soll eine Datenbank zur Simulation von Materialeigenschaften und die dazu passende Infrastruktur entwickelt werden, die die gewünschte Information entweder bereits enthält, oder aber erzeugt. In diesem Projekt, das von dem britischen ’Department of Trade and Industry’ mit einem Finanzaufwand in Höhe von 2,7 Millionen € unterstützt wird, ist die Arbeitsgruppe des Frankfurter Kristallographen Prof. Björn Winkler, Institut für Mineralogie, für die eigentlichen Berechnungen von Strukturen und Eigenschaften verantwortlich. Die Einbindung der Frankfurter Arbeitsgruppe unterstreicht die internationale Reputation, die sich diese Gruppe auf dem Gebiet der Computational Crystallography erarbeitet hat und ist ein Zeichen dafür, dass die Forschungsinfrastruktur in Frankfurt den hohen Anforderungen, die an die Mitglieder in diesem Konsortium gestellt werden, gewachsen ist: Das Center for Scientific Computing wird einen Teil der benötigten Rechenleistung zur Verfügung stellen. Das Hochschulrechenzentrum hat in sehr kurzer Zeit dafür gesorgt, dass eine neue, sehr leistungsfähige Anbindung an das Internet den Mitarbeitern in der Mineralogie die Mitarbeit in diesem Konsortium ermöglicht.

Die weiteren Beteiligten an dem Konsortium sind die University of Cambridge (UK), eine britische Großforschungseinrichtung, das Council for the Central laboratory of the Research Councils (CCLRC) Daresbury und die Unternehmen IBM (UK) und Accelrys, Cambridge, UK.

Die zu erarbeitende Datenbank ist sehr nutzerfreundlich angelegt: Benutzer wie etwa Materialwissenschaftler und -entwickler in der Industrie können auf der Suche nach einer Verbindung mit einer bestimmten Eigenschaft über ein Webportal die Datenbank abfragen, ob die gewünschten Informationen bereits abgespeichert sind. Ist dies nicht der Fall, wird ein Expertensystem den Benutzer dabei anleiten, diese Eigenschaften zu berechnen.

Das System wird dabei diese zum Teil sehr aufwändigen Rechnungen für den Nutzer unsichtbar automatisch auf unterschiedliche Computer verteilen (grid computing). Die Daten werden, ebenfalls für den Nutzer unsichtbar, in verteilten Datenbanken, unter anderem in Daresbury, Cambridge und Frankfurt, vorgehalten, wobei ebenfalls Grid-Technologie (z. B.: storage resource brokers) zum Einsatz kommt.

Die außerordentlich umfangreichen Datenmengen müssen mit noch zu entwickelnden ’Metadaten’ beschrieben und mit einer ’Mark up-language’ (CMLChemical markup language, eine Variante der eXtended markup language XML) für die automatisierte Verarbeitung aufbereitet werden. Die Entwicklung der ’Mark up language’ ist in Cambridge angesiedelt, während die Gruppen in Daresbury und bei IBM sich hauptsächlich um die Datenbankaspekte kümmern. Die geplante Kommerzialisierung des Projekts wird von der Firma Accelrys vorbereitet.

Die Projektförderdauer beträgt drei Jahre; bis Ende 2008 soll die Datenbank den Nutzern zur Verfügung stehen.

Kontakt: Prof. Björn Winkler; Institut für Mineralogie; Senckenberganlage 30, 60325 Frankfurt; Tel.: 069/798-28291; Fax: 069/798-22101; E-Mail: b.winkler@kristall.uni-frankfurt.de

Dr. Ralf Breyer | idw
Weitere Informationen:
http://www.uni-frankfurt.de/fb11/IMIN/kristall.htm

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