Lehre

Die Berechnung von Schwingungsspektren ist ein wichtiges Werkzeug zur Interpretation experimenteller Infrarot- und Raman-Spektren. Für realistische molekulare Systeme spielen anharmonische Effekte jedoch häufig eine entscheidende Rolle, die mit einfachen harmonischen Näherungen nicht erfasst werden können. Im Rahmen eines Forschungspraktikums sollen in unserer Arbeitsgruppe entwickelte Methoden zur Berechnung anharmonischer Schwingungsspektren auf ausgewählte molekulare und biomolekulare Testsysteme angewendet werden. Dieses Thema bietet einen Einblick in moderne Methoden der theoretischen Spektroskopie.

Die zweidimensionale Infrarotspektroskopie (2D-IR) ist eine moderne spektroskopische Methode, mit der sich Kopplungen zwischen Schwingungsmoden sowie strukturelle Dynamik in komplexen Molekülen und Biomolekülen untersuchen lassen. Im Rahmen einer Bachelor- oder Masterarbeit sollen in unserer Arbeitsgruppe entwickelte Methoden zur Simulation von 2D-IR-Spektren auf ausgewählte Modellsysteme angewendet werden. Hierbei kommen Methoden zur Beschreibung anharmonischer Schwingungen, Molekulardynamik-Simulationen sowie Werkzeuge zur Auswertung zeitaufgelöster Spektren zum Einsatz. Dieses Projekt bietet einen Einblick in ein aktuelles Forschungsgebiet an der Schnittstelle von Theorie, Simulation und Spektroskopie.

Methoden des maschinellen Lernens eröffnen neue Möglichkeiten, spektroskopische Eigenschaften großer und komplexer molekularer Systeme effizient vorherzusagen. Im Rahmen dieses Projekts soll untersucht werden, wie sich Verfahren des maschinellen Lernens zur Berechnung, Beschleunigung oder Analyse von Infrarot-, Raman-, UV/Vis- oder Röntgenspektren einsetzen lassen. Dies kann die Generierung geeigneter Trainingsdaten mit quantenchemischen Methoden, die Entwicklung und das Testen von ML-Modellen sowie deren Anwendung auf chemisch relevante Fragestellungen umfassen. Dieses Thema bietet die Möglichkeit, moderne datengetriebene Methoden mit Fragestellungen der theoretischen Chemie zu verbinden.

Enzyme katalysieren chemische Reaktionen mit hoher Selektivität und Effizienz und sind daher von zentraler Bedeutung in Biochemie und Biotechnologie. Im Rahmen einer Bachelor- oder Masterarbeit sollen Enzymreaktionen mit Hilfe theoretischer Methoden untersucht werden, um Reaktionsmechanismen, Zwischenstufen und Einflüsse der Proteinumgebung besser zu verstehen. Für die Berechnungen wird eine Kombination aus Molekulardynamik-Simulationen, quantenchemischen Methoden und QM/MM- oder Einbettungsverfahren zum Einsatz kommen. Dieses Projekt erlaubt es, moderne Verfahren zur Beschreibung komplexer biologischer Reaktionssysteme kennenzulernen und anzuwenden.

Die quantenchemische Beschreibung großer Biomoleküle wie Proteinen stellt aufgrund ihrer Größe eine große Herausforderung dar. Fragmentierungsmethoden bieten hier die Möglichkeit, solche Systeme in kleinere Teilsysteme zu zerlegen und dadurch mit vertretbarem Rechenaufwand quantenchemisch zu untersuchen. Im Rahmen dieses Projekts sollen solche Methoden auf aktuelle Fragestellungen angewendet und gegebenenfalls weiterentwickelt werden. Mögliche Anwendungen umfassen die Berechnung von Strukturen, Energien, spektroskopischen Eigenschaften oder Wechselwirkungen in Proteinen und Proteinkomplexen. Dieses Thema bietet einen Einblick in aktuelle Ansätze zur Behandlung großer molekularer Systeme in der theoretischen Chemie.

Quantenchemische Berechnungen sind heute ein zentrales Werkzeug zur Vorhersage molekularer Eigenschaften, ihre Ergebnisse sind jedoch stets mit Unsicherheiten verbunden, die aus methodischen Näherungen, Modellannahmen oder der Wahl numerischer Parameter resultieren. Im Rahmen einer Bachelor- oder Masterarbeit soll untersucht werden, wie sich solche Unsicherheiten systematisch analysieren, quantifizieren und interpretieren lassen. Dabei können verschiedene quantenchemische Methoden verglichen und Strategien zur Abschätzung der Zuverlässigkeit berechneter Daten entwickelt werden. Dieses Projekt verbindet grundlegende Fragen der theoretischen Chemie mit aktuellen Ansätzen aus Datenanalyse und wissenschaftlicher Modellierung.

Die in unserer Arbeitsgruppe entwickelte Skripting-Umgebung PyADF ermöglicht es, komplexe quantenchemische Rechnungen mit Einbettungs- und Subsystemmethoden effizient zu automatisieren. Im Rahmen einer Studienarbeit oder eines Forschungspraktikums sollen neue Einbettungsmethoden in PyADF implementiert und für ausgewählte Anwendungen getestet werden. Dies kann sowohl die Entwicklung neuer Workflows als auch die Anbindung weiterer Programmpakete und die systematische Validierung der implementierten Verfahren umfassen. Dieses Projekt erlaubt es, Erfahrungen in der quantenchemischen Softwareentwicklung zu sammeln und zugleich moderne Einbettungsmethoden praktisch anzuwenden.

Automatisierte High-Throughput-Rechnungen gewinnen zunehmend an Bedeutung, um große Mengen molekularer Systeme systematisch zu untersuchen und strukturierte Datensätze für chemische Anwendungen bereitzustellen. Im Rahmen einer Studienarbeit oder eines Forschungspraktikums soll die Skripting-Umgebung PyADF um Funktionen für die High-Throughput-Quantenchemie erweitert werden. Dies umfasst beispielsweise die automatische Generierung und Verwaltung großer Serien von Rechnungen, die Fehlerbehandlung, die Auswertung der Ergebnisse sowie die strukturierte Speicherung der berechneten Daten. Dieses Thema bietet einen ersten Einblick in die Entwicklung moderner Softwarewerkzeuge für datengetriebene theoretische Chemie.