Ein Forschungsteam der Universität Chicago hat kürzlich eine neue Methode für die computergestützte Materialforschung entwickelt. Ziel ist es, durch die Integration zweier unterschiedlicher Forschungsperspektiven der Quantenchemie funktionale Materialien besser zu verstehen und zu entwickeln. Die zugehörige Forschungsarbeit wurde in der Fachzeitschrift *Nature Communications* veröffentlicht.

Kern dieser Methode ist die Entwicklung eines hybriden Rechenmodells, das die für Physiker relevante Bandtheorie mit der für Chemiker wichtigen Beschreibung lokalisierten elektronischen Verhaltens kombiniert. Die Hauptautorin Laura Gagliardi, Professorin für Chemie, erklärte: „Jahrzehntelang haben Chemiker und Physiker sehr unterschiedliche Perspektiven auf die Materialforschung genutzt. Wir haben nun eine rigorose Methode entwickelt, die diese Perspektiven vereint. Dies stellt uns neue Werkzeuge zur Verfügung, die uns helfen, Materialien mit außergewöhnlichen Eigenschaften zu verstehen und letztendlich zu entwickeln.“ Viele wichtige Materialien, wie organische Halbleiter und stark korrelierte Oxide, weisen sowohl lokalisiertes als auch delokalisiertes elektronisches Verhalten auf, das mit herkömmlichen, eindimensionalen computergestützten Materialmodellen nur schwer präzise beschrieben werden kann. „Zwar lassen sich Elektronen auf einzelnen Fragmenten genau beschreiben, doch das vermittelt kein Verständnis dafür, wie sich Ladungen als Ganzes im Material bewegen“, erklärte Daniel King, einer der Erstautoren der Studie. „Unsere Methode löst dieses Problem, indem sie sowohl lokale Fragmente modelliert als auch den Elektronentransfer zwischen ihnen erfasst.“ Die Forschung baut auf einem Rahmenwerk namens „lokaler aktiver Raum“ auf und erweitert es auf periodische Festkörper. Das Forschungsteam validierte die Effektivität dieser neuen computergestützten Materialmethode anhand von Simulationen von Beispielen wie Wasserstoffketten und p-n-Übergängen in Solarzellen. „Dies ist nur der erste Schritt, ein Machbarkeitsnachweis“, sagte Bavnesh Janjid, Doktorand und ebenfalls Erstautor. „Wir haben gezeigt, dass unsere Methode die korrekte Physik mit hoher Präzision erfassen kann. Nun hoffen wir, weitere fortgeschrittene Methoden in diesen Ansatz zu integrieren, um ihn kontinuierlich zu verbessern.“ Die Forscher gehen davon aus, dass diese neue Methode ein Werkzeug zur Aufklärung der mikroskopischen Mechanismen bestehender Materialien werden und potenziell theoretische Grundlagen für die gezielte Entwicklung neuartiger computergestützter Materialien liefern könnte. Daniel S. King schlussfolgert: „Alle Materialien sind von Natur aus quantenmechanisch. Dies ist ein bedeutender Schritt hin zu einem tieferen Verständnis dafür, wie die Quantenmechanik die verschiedenen Eigenschaften bestimmt, die wir im Alltag nutzen.“

Weitere Informationen: Autoren Daniel S. King et al., Titel: „Bridging the gap between molecules and materials in quantum chemistry using locally active spaces“, veröffentlicht in *Nature Communications* (2025). Zeitschrifteninformationen: *Nature Communications*