Entwicklung eines 4-Knoten-Elements zur Berechnung von Nanostrukturen

Abstract

Zur Berechnung von Nanostrukturen wie z.B. Kohlenstoff-Nanoröhren stehen eine Reihe von Kraftfeld-Ansätzen (force fields) zur Verfügung, die sich aus molekulardynamischen Untersuchungen bzw. quantenmechanischen “ab initio” Berechnungen herleiten lassen. Sie liefern die potentielle Energie einer Struktur in Abhängigkeit von der Art und Anzahl der chemischen und physikalischen Bindungen. Die verschiedenen Energieformen lassen sich grundsätzlich mit nichtlinearen Normalkraft-, Biegemomenten- und Torsionsmomentenfedern vergleichen, so dass der Einsatz von Finite Elemente Programmen nahe liegt. Aufgrund der Interaktion mehrerer Atome und der Tatsache, dass Atome keine Rotationsfreiheitsgrade im mechanischen Sinne besitzen, ist die Anwendung von Standard-Elementen wie Stab-, Balken- oder Schalenelementen problematisch. Beispielsweise führt die Verdrehung von Balkenelementen zu unerwünschten Zwängungen in angrenzenden Molekülgruppen. Aus diesem Grund wird eine neues 4-Knoten-Element entwickelt, das ausschließlich Verschiebungen als Freiheitsgrade benutzt und somit in der Lage ist, die verschiedenen Energieformen exakt abzubilden. (© 2004 WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim)