Chemie und Physik auf dem Computer - das Programmpaket GAUSSIAN

Jeder weiß heutzutage, daß Kupfer elektrischen Strom leitet, Gummi elastisch und Dynamit ein hochexplosiver Stoff ist. Wir haben diese Dinge als Selbstverständlichkeiten des Alltags akzeptiert, verstehen können wir sie jedoch nur auf der Basis der Quantenphysik. Seit ihrer Entdeckung war es ein Traum der theoretischen Physiker und Chemiker: die Beschreibung komplexer Prozesse in Atomen, Molekülen und Festkörpern auf der Grundlage weniger fundamentaler Gleichungen. Die ihnen zugrundeliegenden Theorien wurden größtenteils schon in den zwanziger und dreißiger Jahren dieses Jahrhunderts ausgearbeitet (Schrödinger-Gleichung). Allerdings zeigte sich schnell, daß nur für wenige Spezialfälle exakte Lösungen angegeben werden konnten.

Mit der Entwicklung moderner Computer eröffnete sich die Möglichkeit, die mathematischen Probleme numerisch zu lösen. Dabei müssen die aus der Quantenphysik bekannten Wellenfunktionen entweder auf einem dreidimensionalen Gitter diskretisiert oder durch geeignete sogenannte Basisfunktionen approximiert werden. GAUSSIAN verwendet letztere Variante und benutzt zur Darstellung der Elektronen-Wellenfunktionen Gaussfunktionen, da diese aufgrund ihrer Eigenschaften den Einsatz effizienter Algorithmen ermöglichen.

GAUSSIAN ermöglicht die Berechnung vieler atomarer und molekularer Eigenschaften, zum Beispiel molekularer Geometrien (Bindungsabstände und Winkel), elektronischer Anregungen, Ionisierungsenergien, Infrarot- und Ramanspektren auf der Basis verschiedener Näherungen (Dichtefunktional, Hartree-Fock, Configuration Interaction). Damit läßt sich die Anwendung des Programmsystems grob in zwei Teile gliedern: die Ausbildung von Studenten auf dem Gebiet der Quantenphysik bzw. Quantenchemie und die Forschung in allen Disziplinen, bei denen Prozesse im atomaren Maßstab eine Rolle spielen. Diese reichen von Materialsynthese und Reaktionsdynamik bis hin zu Genetik und Krebsforschung, wo numerischen Simulationen eine wachsende Bedeutung zukommt.

Noch ein paar Worte zur Nutzung: Man sollte schon mal einen Blick in ein Buch zur Quantentheorie der Elektronen geworfen haben, bevor man sich an den Bildschirm setzt - sonst ist die Bedeutung der verschiedenen Eingabeparameter natürlich unklar. Ansonsten ist aber die Bedienung relativ einfach, da sich der Anwender nicht mit den numerischen Details der Berechnung befassen muß. Die CPU-Zeiten reichen von einigen Minuten für kleine Jobs mit wenigen Atomen bis zu mehreren Wochen für komplizierte Probleme mit bis zu etwa 100 Atomen. An dieser Grenze ist beim heutigen Stand der Rechentechnik Schluß, wenn an den traditionellen Algorithmen festgehalten wird. Es gibt allerdings bereits erste Erfolge in Richtung Parallelisierung und wir können gespannt in die Zukunft schauen.