Forschungsprojekte – Institut für Physikalische Chemie und Elektrochemie

Theoretische Beschreibung der elektrischen Detektierung von DNA-Nukleotiden in Graphen/h-BN-Heterostrukturen unter Verwendung von Hochleistungs-Quantenchemie-Methoden

Das Ziel des aktuellen Projekts ist es, Nanostrukturen zu entwickeln, mit denen die Detektion von Biomolekülen, speziell von DNA-Nukleotiden möglich ist. Die Nanostrukturen basieren auf Graphen und auf hexagonalem Bornitrid (h-BN). Gezieltes Design soll zu Heterostrukturen führen, die maßgeschneiderte Eigenschaften aufweisen. Zur Anwendung kommen in dem beantragten Projekt Ab-Initio-Moleküldynamik-Methoden (AIMD). Die grundlegende Idee bei Ab-Initio-Methoden ist es, ausgehend von den elementaren physikalischen Gleichungen und den relevanten Naturkonstanten ohne weitere Verwendung experimenteller Daten beliebige molekulare Strukturen zu beschreiben. Basis ist hierbei die zeitunabhängige Schrödingergleichung als die zentrale quantenmechanische Gleichung. Die erfolgreichste Näherung zur Lösung der Schrödingergleichung für Vielelektronenprobleme ist die Dichtefunktionaltheorie. Beliebige Materie besteht aus vielen Elektronen und vielen Atomkernen. Für die ausgedehnte Elektronenwolke wird also Dichtefunktionaltheorie verwendet, während für die auf der Nanometerskala punktförmigen Atomkerne einfach Newtondynamik verwendet wird. Der resultierende Ansatz nennt sich Ab-Initio-Moleküldynamik (AIMD), eine besonders effiziente Variante von AIMD ist Car-Parrinello-Moleküldynamik (CPMD). Wie wir und viele andere in vielen vorausgehenden Simulationen gezeigt haben, ist dieser Ansatz optimal geeignet, um nicht nur komplexe Strukturen bei endlicher Temperatur zu modellieren, sondern auch um chemische Reaktionen zu beschreiben. Im vorliegenden Projekt soll die Methodik nun auf die Kombination von Bio- und Nanostrukturen angesetzt werden.

Leitung: Prof. Dr. Frank

Team: AG Frank, AG Nadimi

Jahr: 2020

Förderung: BMBF

Laufzeit: 2 Jahre

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