Computergestützte Materialwissenschaft

Computergestützte Materialwissenschaft: das Wichtigste

In der computergestützten Materialwissenschaft wählt man die Methode nach der räumlichen und zeitlichen Größenordnung des Problems. Ab-initio-Rechnungen (Dichtefunktionaltheorie, DFT), die von den Elektronenzuständen ausgehen, liefern ohne experimentelle Daten Strukturen und Energien von bis zu einigen hundert Atomen, haben aber durch ihre Näherungen Grenzen, etwa die Unterschätzung von Bandlücken. Die Molekulardynamik verfolgt mithilfe interatomarer Potentiale die Bewegung vieler Atome über Zeiträume bis etwa in den Nanosekundenbereich, und die Monte-Carlo-Methode behandelt Gleichgewichtszustände und Diffusion über lange Zeiten durch stochastische Versuche.

Auf der Größenskala von Gefügen und Bauteilen stehen Kontinuumsmethoden im Mittelpunkt. Die CALPHAD-Methode berechnet Zustandsdiagramme von Mehrstoffsystemen aus Modellen der Gibbs-Energie jeder Phase, und die Phasenfeldmethode verfolgt mit diffusen Grenzflächen die Gefügeentwicklung bei Erstarrung und Ausscheidung. Die Finite-Elemente-Methode ermittelt die Spannungs- und Temperaturverteilung in Bauteilen. Hinzu kommt die Materialinformatik, die Eigenschaften aus Daten vorhersagt, und so schreitet eine Werkstoffentwicklung voran, die Rechnung und Experiment verbindet.