All-Atom-Molekulardynamiksimulationen liefern detaillierte Einblicke in molekulare Strukturen und Verhaltensweisen. Das Simulieren großer Systeme oder langer Zeitskalen bleibt jedoch mit einer hohen Rechenintensität behaftet. Vergröberte Modelle reduzieren die Komplexität, indem sie mehrere Atome zu einzelnen Einheiten, sogenannten Beads, zusammenfassen und sich auf die wichtigsten Aspekte des Systems konzentrieren, während unnötige Freiheitsgrade entfernt werden. Dieser Ansatz ermöglicht es, größere Systeme über längere Zeiten zu betrachten, beschleunigt jedoch auch die dynamischen Eigenschaften im Vergleich zu ihrem atomistischen Referenzmodell. Diese Beschleunigung der Dynamik, beispielsweise gemessen als das Verhältnis der Selbstdiffusionskoeffizienten beider Modelle, kann zwischen einer und drei Größenordnungen variieren und macht daher den Einsatz vergröberter Modelle zur Bestimmung genauer dynamischer Eigenschaften praktisch unmöglich.

Diese Dissertation präsentiert einen neuartigen Ansatz zur Vorhersage der beobachteten Beschleunigung dynamischer Eigenschaften in vergröberten Modellen im Vergleich zu ihren atomistischen Gegenstücken, indem die bei der Vergröberung verlorene geometrische Information quantifiziert wird. Mehrere Atome verschmelzen in die kugelförmige Oberfläche eines Beads, wodurch die Oberfläche geglättet und Reibung reduziert wird. Die verringerte Rauheit ermöglicht es den Molekülen, müheloser aneinander vorbeizugleiten — und damit schneller. Der Schlüsselparameter der Methode ist die molekulare Rauheitsdifferenz (engl. molecular roughness difference), eine Metrik, die aus einem numerischen Vergleich zwischen den molekularen Oberflächen des atomistischen und des vergröberten Modells abgeleitet wird. Diese Metrik wird durch vier Rauheitsvolumen ergänzt, die Bereiche beschreiben, in denen sich die Rauheit ändert und Bereiche, in denen dies nicht der Fall ist. Der Anwendungsbereich der RoughMob Methode (Roughness=Rauheit und Mobility=Beweglichkeit) wird systematisch ausgeweitet. Ursprünglich entwickelt mit einer kleinen Gruppe von sieben einfachen Kohlenwasserstoffflüssigkeiten, die sechs bis acht Kohlenstoffatome pro Molekül enthalten und jeweils durch ein einzelnes vergröbertes Bead repräsentiert werden, wird die Methode erweitert, um Moleküle im Bereich von fünf bis 13 Kohlenstoffatomen einzuschließen. Diese breitere Palette umfasst auch asphärischere atomistische Modelle und führt verschiedene Mapping-Schemata ein. Der verfeinerte Ansatz wird anschließend auf binäre Mischungen bei verschiedenen Zusammensetzungen und Konzentrationen von Molekülen innerhalb dieses erweiterten Größenbereichs angewendet und angepasst.

Die einfachen vergröberten Modelle mit einem Bead pro Molekül werden mithilfe der strukturbasierten iterativen Boltzmann-Inversion entwickelt, die die radialen Verteilungsfunktionen des vergröberten Modells an das atomistische Modell durch iterative Anpassungen angleicht. Die geometrischen Informationen werden aus der strukturell äquilibrierten atomistischen Trajektorie und den Nichtbindungspotentialen der Modelle abgeleitet. Die festgestellte Korrelation zwischen den Rauheitsparametern und dem Beschleunigungsfaktor ermöglicht eine a priori Vorhersage des Beschleunigungsfaktors. Dies ermöglicht es, dynamische Eigenschaften, wie den Selbstdiffusionskoeffizienten, aus der kostengünstigen vergröberten Simulation zu berechnen und diesen anschließend so zu skalieren, dass er dem atomistischen Diffusionskoeffizienten entspricht. Für binäre Mischungen kann die Beschleunigung vorhergesagt werden, indem die Rauheitsparameter aus denen der reinen Komponenten mithilfe einfacher Mittelungsregeln berechnet werden, ergänzt durch einen quadratischen Korrekturterm in der Konzentration, ohne dass zusätzliche Berechnungen an den Trajektorien der Mischungen selbst erforderlich sind.

Die Studie ist derzeit auf kleine, unpolare Kohlenwasserstoffflüssigkeiten beschränkt, die bei einem Zustandspunkt simuliert werden. Die Ergebnisse sind jedoch vielversprechend für eine weitere Entwicklung. Von besonderem Interesse ist die Erweiterung auf Polymersysteme, bei denen typischerweise eine Monomereinheit einem oder zwei Beads entspricht — passend zum Grad der Vergröberung, der für die Kohlenwasserstoffe in dieser Forschung verwendet wurde.