Computergestützte Simulationen von Molekülen und Atomen sind von erheblichem Wert für die Erforschung der weichen Materie. Die physikalische Chemie profitiert in großem Maße von den Erkenntnissen, die mithilfe von klassischen molekulardynamischen Simulationen gewonnen werden können. In solchen Simulationen werden Atome als Punktmassen dargestellt, deren Bewegungen den Newtonschen Gesetzen folgen. Eine große Herausforderung bei der Druchführung solcher Simulationen liegt in der Tatsache begründet, dass eine Simulation von vergleichsweise kleinen Systeme mit atomistischer Auflösung nur unter Einsatz großer Rechenleistung durchzuführen sind und die Zeit- und Längenskalen, die mit atomistischen Simulationen abgebildet werden können, deshalb stark begrenzt sind.

Ein Ansatz, Simulationen eines gegebenen Systems effizienter zu gestalten ist die Vergröberung des Modells (engl. "coarse-graining"), d.h. die Reduktion der räumlichen Auflösung durch Vereinigung einzelner Atome zu größeren Modelleinheiten. Coarse-graining geschieht in zwei Schritten: zunächst muss eine Zuordnung der Modelleinheiten zwischen den einzelnen Skalen definiert werden (das sog. "mapping"), im zweiten Schritt müssen Wechselwirkungen zwischen den Modelleinheiten des gröberen Modells definiert, bzw. berechnet werden.

Besonders der zweite Schritt ist anspruchsvoll, wenn der Anspruch an das vergröberte Modell, möglichst viele Eigenschaften des zugrundeliegenden Referenzmodells korrekt abzubilden, erfüllt werden soll. In der Literatur existieren einige Methoden hierzu, die einer gemeinsamen Grundidee, dem systematischen, bottom-up coarse-graining, folgen. In diesen Methoden werden die Wechselwirkungen der vergröberten Auflösung aus den (meist atomistischen) Wechselwirkungen des Referenzmodells berechnet.

Eine wichtige Qualität der vergröberten Modelle im Allgemeinen ist die sog. Transferierbarkeit, d.h. die Fähigkeit die Eigenschaften des zugrundeliegenden Referenzmodells auch an Zustandspunkten, an denen das vergröberte Modell nicht parametrisiert wurde, korrekt wiederzugeben. Unter den existierenden coarse-graining Methoden ist insbesondere die "Conditional Reversible Work" (CRW) Methode in der Lage, transferierbare vergröberte Modelle zu parametrisieren. Die CRW Methode ist hierbei sowohl konzeptuell als auch in der Implementierung einfach und effizient in Bezug auf die benötigte Rechenleistung.

In dieser Dissertation werden Studien präsentiert, welche die Erweiterung der Anwendungen von CRW-basierten Modellen zum Ziel haben. Die CRW-Methode wird, neben anderen, in einer komparativen Studie genutzt, um vergröberte Modelle zu entwickeln, die die Dampf-Flüssig-Gleichgewichte und Mischungsthermodynamik von Hexan und Perfluorohexan korrekt beschreiben. Die Ergebnisse dieser Studie zeigen, dass die Transferierbarkeit eines Modells stark von der Methode abhängt, mit der die Wechselwirkungspotentiale parametrisiert werden. Weiterhin wird gezeigt, dass die CRW-basierten Modelle eine gute Transferierbarkeit in Bezug auf die Temperatur, den Transfer eines Moleküls von der Gas- in die Flüssigphase und der Veränderung der Zusammensetzung einer binären Mischung besitzen.

Eine weitere Neuerung in der CRW-Methodik, die in dieser Dissertation vorgestell wird, ist die Erweiterung der Methode für die Parametrisierung von Wechselwirkungen in polaren Systemen. Bis dato, sind nur CRW Modelle von apolaren Systemen veröffentlicht worden. Hier wird gezeigt, dass eine leicht modifizierte Methode, die separate Parametrisierung von elektrostatischen und Van-der-Waals Wechselwirkungen ermöglicht. Die resultierenden Modelle für schwach polare organische Verbindungen und ionische Flüssigkeiten zeigen im Wesentlichen die gleichen Qualitäten, wie die CRW Modelle von apolaren Systemen.

Die konsistente Darstellung von dynamischen Eigenschaften in vergröberten Modellen ist eine weitere große methodische Herausforderung. Im Allgemeinen wird die Dynamik eines Systems von vergröberten Modellen schneller dargestellt, als von dem zugrundeliegenden hochaufgelöstem Modell. Der Grund für dieses Verhalten ist die Reduktion von Energiebarrieren im vergröberten Modell. Es ist möglich, die Auswirkungen dieses Effekts durch nachträgliches Einführen von Reibungstermen in die molekularen Wechselwirkungen zu kompensieren. Diese Reibungsterme können, genau wie die konservativen Teile der Wechselwirkungen, in einem bottom-up Verfahren, welches auf den Projektionsoperatoren nach Mori und Zwanzig basiert, aus den Wechselwirkungen im hochaufgelösten Modell bestimmt werden. Solche Modelle wurden in der Literatur bereits für einige Modellsysteme erfolgreich angewendet. Um leistungsfähige Mori-Zwanzig-Modelle für vergröberte Systeme zu parametrisieren sind allerdings Annahmen vonnöten, welche für komplexe, molekulare Systeme mit hoher Dichte im Allgemeinen nicht erfüllt sind. Am stärksten fällt hierbei die Annahme ins Gewicht, dass die Zeitskalen der Freiheitsgrade, die während des coarse-grainings aus dem Modell entfernt werden, unendlich schnell gegenüber jenen, welche im vergröberten Modell verbleiben, relaxieren (vollständige Trennung der Zeitskalen). In dieser Dissertation wir eine Anwendung des Mori-Zwanzig-basierten coarse-grainings für realistische Systeme weicher Materie präsentiert. Die Fragestellung dieser Studie ist, inwiefern bzw. zu welchen Grad eine konsistente Reproduktion dynamischer Eigenschaften für solch ein System, in dem die komplette Zeitskalentrennung nicht gegeben ist, möglich ist. Hierzu werden vergröberte Modelle für molekulare Modellsysteme mit verschiedenen Kettenlängen parametrisiert. Ausgewählte dynamische Eigenschaften dieser Modelle werden anschließend mit dem hochaufgelösten Modell verglichen. Hierbei zeigt sich, dass die Eigendiffusionskoeffizienten der Modellsysteme gut reproduziert werden. Andere Eigenschaften, welche eine kleinere charakteristische Relaxationszeit aufweisen, werden von den vergröberten Modellen schlechter reproduziert, wobei die Abweichung von der hochaufgelösten Referenz mit steigendem Polymerisationsgrad größer wird; ein Verhalten, dass durch die zunehmende Abweichung des Systems von der vollständigen Zeitskalentrennung erklärt werden kann.