Maßgeschneiderte Materialien für die Energiewende entwickeln

Prof. Dr. Janine George von der Friedrich-Schiller-Universität Jena und der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) erhält vom Europäischen Forschungsrat (ERC) einen Starting Grant in Höhe von rund 1,5 Millionen Euro. Diese Förderung unterstützt für fünf Jahre ihr Forschungsprojekt „Multibonds“, das auf ein grundlegend neues Verständnis der Zwei- und Mehrzentrenbindungen bei anorganischen Substanzen zielt. Die Erkenntnisse sind entscheidend, um z. B. maßgeschneiderte Materialien für die Energiewende entwickeln zu können. 

Es sind die chemischen Bindungen zwischen Atomen, die über die Eigenschaften eines Materials entscheiden, etwa über die Härte eines Kristalls oder die Wärmeleitfähigkeit oder den Magnetismus eines Metalls. „Seit rund hundert Jahren untersucht die Chemie diese Bindungen, um aus ihnen feste Regeln für die Materialeigenschaften abzuleiten“, erklärt Janine George, die an der BAM die Nachwuchsgruppe Computergestütztes Materialdesign leitet und an der Friedrich-Schiller-Universität Jena als Professorin für Materialinformatik tätig 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 lässt, durch die Stiftung Werner-von-Siemens-Ring ausgezeichnet.

Bisher unvollständiges Verständnis der chemischen Bindung

Besondere Relevanz hat diese Forschung für Bestrebungen, die Auswirkungen des Klimawandels zu begrenzen. „Bisher ist es nur sehr eingeschränkt möglich, maßgeschneiderte Werkstoffe mit bestimmten Eigenschaften, etwa für leistungsstärkere und gleichzeitig nachhaltige Batterien oder für effizientere Solarzellen, zu entwickeln“, erklärt Janine George. „Der Grund ist unser immer noch sehr unvollständiges Verständnis der chemischen Bindung in anorganischen Materialien wie Metallen, Gläsern, Kristallen. Für die meisten Materialeigenschaften fehlen schlicht nachvollziehbare Regeln. Das limitiert unsere Möglichkeiten, maßgeschneiderte Materialien zu entwerfen.“

Mehrzentrenbindungen für Materialeigenschaften entscheidend

Die aussagekräftigste 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 große Rolle für die Eigenschaften eines Materials. Sie sind beispielsweise für die Superhärte 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 maßgeschneiderter Materialien

Auf das Verständnis 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 großem Maßstab analysieren zu können“, so George. „Die so erstellte Datenbank nutzen wir dann, um mit Hilfe des maschinellen Lernens neuartige Modelle zu entwickeln, mit denen wir Vorhersagen treffen können, wie sich innovative Werkstoffe verhalten. Mit ihnen wollen wir schließlich zu intuitiv verständlichen und universell gültigen Regeln zum Verhältnis zwischen Bindungen und Materialeigenschaften gelangen, um in Zukunft die Entwicklung neuer Materialien deutlich beschleunigen zu können.“