Die enorme Anzahl an Atomen in biologischen und makromolekularen Systemen kann die direkte Anwendung atomar-aufgelöster Molekulardynamiksimulationen (MD) verhindern. Diese Einschränkung motiviert die Konstruktion vergröberter (engl. coarse-grained) Modelle für molekulare Systeme. Systematische Vergröberungsmethoden leiten Potenziale zwischen Kugeln, welche Gruppen von Atomen representieren, ab, um Eigenschaften eines atomistischen Referenzmodells widerspiegeln. Durch die Entwicklung zuverlässiger und gut verstandener Modelle können Zeit- und Längenskalen erreicht werden, die für atomar-aufgelöste MD-Simulationen nicht erreichbar sind. Die Bestimmung effektiver Paarpotentiale, die eine bestimmte radiale Verteilungsfunktion (engl. radial distribution function, RDF) erzeugen, ist ein inverses Problem, das iterativ gelöst werden muss, z.~B. mit dem Newtonverfahren. In jeder Iteration wird ein Potenzial in einer MD-Simulation verwendet, um die RDF zu berechnen. Aus dem Unterschied zwischen RDF und Ziel-RDF wird eine Verbesserung des Potenzials berechnet und eine neue Iteration beginnt. Die gleiche Technik kann auch verwendet werden, um klassische atomistische Modelle aus ab initio MD-Simulationen (AIMD) zu erhalten. Neben der primären Herausforderung der Strukturanpassung ändern sich die dynamischen und thermodynamischen Eigenschaften, wenn sich die Auflösung verändert. Es ist von Interesse zu wissen, wie sich diese Eigenschaften verändern und wie einige von ihnen fixiert werden können.

Das erstes Thema in dieser Arbeit ist die Verwendung der Integralgleichungstheorie im Kontext systematischer Vergröberungsmethoden. Die Theorie bietet eine approximative Verbindung zwischen Struktur und Potenzial zum Beispiel über das reference interaction site model (RISM) und der hypernetted-chain (HNC) Gleichung. Diese Verbindung kann verwendet werden, um eine gute Anfangsschätzung des Paarpotentials und eine Näherung der Jacobi-Matrix für eine Iteration im Newtonverfahren zu erhalten. Während die exakte Jacobi-Matrix im Prinzip aus Trajektorien berechenbar ist, wie es in der inversen Monte-Carlo-Methode (IMC) genutzt wird, ist das HNC-Newtonverfahren deutlich schneller. Die Integralgleichungstheorie-basierten Vergröberungsmethoden werden in zwei Schritten verallgemeinert, sodass sie schließlich auf jedes molekulare System anwendbar sind. Instabilitäten in dem neuen Newtonverfahren werden untersucht und eine Modifikation zu deren Vermeidung entwickelt. Durch den Übergang vom Newton- zu einem Gauß-Newton-Verfahren können Beschränkungen (engl. constraints) für die Potenzialupdates einbezogen werden. Thermodynamische Beschränkungen wie zum Beispiel des Druckes, des osmotischen Druckes in Modellen mit impliziten Lösungsmitteln und der Verdampfungsenthalpie werden erforscht und die Kombination mehrerer Beschränkungen untersucht. Alle methodischen Fortschritte wurden in das Open-Source-Softwarepaket VOTCA implementiert.

Zweitens werden iterative Methoden angewandt, um Ionen-Wasser-Potenziale aus AIMD-Daten abzuleiten. Anstatt eine feste parametrische Form für das Ionen-Wasser-Potential zu nutzen wird ein flexibles tabuliertes Potenzial optimiert. Ein Vergleich der optimierten Potenziale mit der parametrischen Lennard-Jones-Form (LJ), die üblicherweise in Elektrolyt-Kraftfeldern verwendet wird, zeigt, dass das LJ-Potenzial eine zu steile Abstoßungsflanke aufweist. Dies wirkt sich direkt auf die dynamischen Eigenschaften wie die Schwingungsfrequenzen der Ionen in der Hydrathülle aus. Mit den abgeleiteten Potenzialen werden experimentelle Frequenzen gut wiedergegeben, während dies bei den LJ-Potenzialen nicht der Fall ist. Auch die Hydrationsentropie stimmt besser mit den experimentellen Werten überein, wenn von der LJ-Form abgewichen wird.

Drittens werden die Auswirkungen verschied starker Vergröberungen auf die Dynamik und Thermodynamik molekularer Flüssigkeiten untersucht. Durch den Vergleich der Schwingungszustandsdichte (engl. vibrational density of states, VDOS) werden die Beschleunigung der Translations- und Rotationsdynamik sowie das Auswaschen der Schwingungsdynamik mit zunehmender Vergröberung sichtbar gemacht. Das two-phase thermodynamic model wird verwendet, um die VDOS der flüssigen Systeme mit ihrer Entropie zu verknüpfen. Dies ermöglicht eine detaillierte Untersuchung der Beiträge zur Entropie und wie sie sich mit der Auflösung des CG-Modells ändern. Es wird festgestellt, dass der Entropieverlust in mehreren Schritten erfolgt, wobei der Verlust von Rotationsfreiheitsgraden eine größere Rolle spielt als der Verlust von Schwingungen.