USA, Chemie

Im Rahmen meiner Promotion in theoretischer Chemie in der Arbeitsgruppe von Prof. Barbara Kirchner an der Universität Bonn beschäftige ich mich mit dem Verhalten von Flüssigkeiten an Festkörperoberflächen und innerhalb von nanoporösen Materialien, wie z. B. Kohlenstoffnanoröhren oder auch MOFs (metal organic frameworks). Dabei geht es vor allem darum, das Packungsverhalten und die dynamischen Eigenschaften der Flüssigkeiten nahe der Oberfläche oder innerhalb von Nanoporen besser zu verstehen.

Ein Ziel dieser Forschung ist unter anderem die Entwicklung neuartiger Superkonden-satoren, die eine Weiterentwicklung herkömmlicher elektrochemischer Doppelschicht-kondensatoren sind. Zusätzliche Energiespeichereffekte werden erzielt, indem die Porengröße der Elektroden an die Größe der Ionen im Elektrolyten angepasst wird, um die Kapazität zu erhöhen. Dabei handelt es sich um Grundlagenforschung, um die Effekte dieser Energiespeicherung vollends zu verstehen und sie als Vorlage für zukünftige Bauteile zu nutzen.

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Die Unibibliothek

Ich benutze hauptsächlich klassische und ab initio Molekulardynamik Simulationen, um die Bewegungen und die Anordnung der Moleküle des Elektrolyten zu beschreiben. Diese Simulationen werte ich dann unter anderem mit einem Programm aus, das ich aktiv entwickle.

Die Forschungsgruppe von Prof. Paesani an der University of California San Diego konzentriert sich besonders auf die Entwicklung neuer Methoden zur Modellierung von Flüssigkeiten. Bekannt ist vor allem das „MB-pol“-Kraftfeld, das zur Modellierung von Wasser verwendet wird. Dieses Kraftfeld zeichnet sich durch einen neuartigen Ansatz aus, den sogenannten Many-Body-Ansatz. Dabei wird die Wechselwirkungsenergie von einem, zwei und drei miteinander wechselwirkenden Wassermolekülen in verschie-denen Konfigurationen sehr genau berechnet (auf CCSD(T)-Niveau), um damit ein maschinelles Lernverfahren zu trainieren. Mit einem zusätzlichen Term für die Elektrostatik gelingt es, das Verhalten von Wasser auf molekularer Ebene über das gesamte Phasendiagramm hinweg sehr präzise zu beschreiben.

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Im Yosemite Park

Zu Beginn meines Aufenthaltes an der UC San Diego hat mich Prof. Paesani der Arbeitsgruppe vorgestellt und ich hatte die Möglichkeit, meine bisherige Forschung zu präsentieren. In den darauffolgenden Tagen haben mir die anderen Doktoranden sehr geholfen mich einzuarbeiten und die Methodik im Detail zu verstehen. Toll war, dass ich unter anderem auch an wöchentlichen Meetings zur Weiterentwicklung des Modells teilnehmen durfte und so auch weitere Einblicke in die Hintergründe der Methodik bekommen habe.

Mein Projekt war und ist es, das Verhalten von Wasser in Kohlenstoffnanoröhren verschiedener Größe zu untersuchen. Dazu habe ich im Verlauf der Wochen eine Vielzahl unterschiedlicher Simulationen durchgeführt und die untersuchten Systeme weiter verbessert. In dem Zeitraum habe ich mir dazu neue Techniken angeeignet. Die Ergebnisse der Studien werden voraussichtlich in Form einer Publikation veröffentlicht, die Forschung ist aber noch nicht abgeschlossen.

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Am Grand Canyon

Neben dem Hauptprojekt habe ich besonders den Austausch mit den anderen Doktoranden als unglaublich wertvoll wahrgenommen. Die Arbeitsgruppe von Prof. Paesani ist thematisch sehr breit, international und divers aufgestellt, mit viele PhDlern und PostDocs aus aller Welt (USA, Mexico, Indien, China, Taiwan, Südkorea). So hatte ich die Chance auch über andere Themen in- und außerhalb der Forschung zu diskutieren aber auch neue Methoden der Simulationstechnik wie die Metadynamik zu erlernen, die mich in meiner zukünftigen Arbeit weiterbringen werden. Die Gespräche waren dabei immer sehr nett und direkt, sehr ähnlich zu dem, was ich aus Bonn kenne und schätze. Auch in der Freizeit haben wir einiges zusammen unternommen, wie z. B. Surfen ausprobieren, oder zusammen Korean BBQ oder Burritos essen.

Eine Wohnung habe ich mir über ein universitätseigenes Portal gesucht, in dem andere Studierende und Forschende nach WG-Partnern suchen. So habe ich drei Monate lang zur Untermiete bei einem anderen Forschenden gewohnt. Ich hatte mein eigenes Zimmer, wir teilten uns das Bad und nutzten einen gemeinsamen Wohnbereich mit Küche. Zusammen mit anderen Wohnungen gab es auch einen gemeinschaftlichen Whirlpool. Ansonsten war der Aufenthalt leider zu kurz, um weitere Kontakte außerhalb der Uni zu knüpfen.

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Yosemite Panorama

Dazu bietet auch die Universität eine Vielzahl von Freizeitangeboten. Ein Fitnesspass, der Zugang zu Schwimmbädern, Fitnessstudios und anderen Angeboten wie einer Boulderhalle bietet, kostet beispielsweise circa 20 $ pro Monat. Gerade das Schwimm-bad und das Fitnessstudio auf dem Campus habe ich oft besucht. Ansonsten habe ich versucht, möglichst viel von den USA während meines dreimonatigen Aufenthalts zu sehen. Gerade die Nationalparks sind außergewöhnlich schön und beeindruckend. Ich hatte die Möglichkeit, den Grand Canyon, den Yosemite und den Sequoia Nationalpark zu besuchen.

Kulturell ist mir besonders der freundliche und auch offene Umgang miteinander aufgefallen. Das fängt beim Einkaufen an, wo es üblich war, sich an der Kasse zu erkundigen, wie es dem anderen geht, aber auch im Bus, wo man sich beim Aussteigen für die Fahrt bedankt. Ich habe Kalifornien auch als sehr sauber und aufgeräumt wahrgenommen.

Ein kleiner Kulturschock war allerdings, wie sehr man auf ein Auto angewiesen ist. In San Diego gibt es zwar einige Busse und auch eine S-Bahn (Trolley), aber in keiner Weise mit dem vergleichbar, was man aus Deutschland und Europa gewohnt ist. So ist es oft kaum möglich von A nach B mit öffentlichen Verkehrsmitteln zu kommen, und ist auf ein Taxi/Uber angewiesen. Für meinen Besuch in den Nationalparks habe ich mir daher ein Auto gemietet. Eine Sache, die ich vor meiner Reise definitiv unterschätzt habe, ist die schiere Größe der USA. Die Entfernungen zwischen den Städten und auch innerhalb der Städte sind teilweise enorm.

Insgesamt sehe ich den Aufenthalt als vollen Erfolg. Ich habe mich als Wissenschaftler weiterentwickelt, indem ich viele neue Methoden und Kollegen kennengelernt habe, mit denen ich auch weiter in wissenschaftlichen und privaten Kontakt stehe. Zudem habe ich wichtige kulturelle Erfahrungen gemacht und auch meine Englischkenntnisse verbessern können. Möglich wurde der Aufenthalt durch das KSB Stiftung Stipendium der DAAD-Stiftung, wofür ich mich sehr bedanken möchte.

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Seit seiner Förderung durch die DAAD-Stiftung hat sich bei Herrn Dick ein weiterer Erfolg eingestellt, wie er uns Anfang 2026 netterweise berichtete:

Tatsächlich hat sich sogar zwischen den Jahren noch etwas ergeben.

Die Publikation, die aus dem Forschungsaufenthalt entstanden ist, wurde veröffentlicht.