Neugier als Antrieb, Quantenmechanik und Supercomputer als Werkzeuge: Die Materialien der Zukunft beleuchtet

Prof. Dr. Caterina Cocchi
Institut für Festkörpertheorie und -Optik, Friedrich-Schiller-Universität Jena

Neugier als Antrieb, Quantenmechanik und Supercomputer als Werkzeuge: Die Materialien der Zukunft beleuchtet

Die Entwicklung effizienter Solarzellen, leistungsfähigerer Batterien und sauberer chemischer Prozesse – kurz gesagt, die Schaffung nachhaltiger Energieversorgung – ist eine der größten Herausforderungen des 21. Jahrhunderts. Dieser Fortschritt hängt maßgeblich von der Entdeckung neuer Materialien und der drastischen Verbesserung bekannter Substanzen ab. Über Jahrzehnte hinweg war die Materialentwicklung jedoch ein langsamer und kostspieliger Prozess. Heute, im Zeitalter der Künstlichen Intelligenz, können wir die Leistungsfähigkeit von Computern und Daten nutzen, um ein virtuelles Labor zu errichten. Dies erlaubt uns, eine immense Zahl von Systemen und Kombinationen zu erforschen, die noch vor wenigen Jahrzehnten undenkbar waren. Basierend auf den fundamentalen Gesetzen der Quantenmechanik und mithilfe modernster Supercomputer können wir die exakten Eigenschaften neuer Substanzen Atom für Atom simulieren und dadurch deren optimales Design und ihre Synthese vorhersagen. Unser vorrangiges Ziel ist es, zu verstehen, wie strukturelle oder chemische Veränderungen die Wechselwirkung von Materialien mit elektromagnetischer Strahlung (z.B. mit sichtbarem Licht) beeinflussen.

In dieser Vorlesung stelle ich die computergestützten Ansätze vor, die es uns ermöglichen, die Materialien von morgen zu entdecken und zu verstehen. Ich präsentiere hierzu aussagekräftige Beispiele aus unserer Forschung, darunter Materialien zur Energiespeicherung wie Metall-Organische Gerüstverbindungen, deren Erfinder im Jahr 2025 mit dem Nobelpreis für Chemie ausgezeichnet wurden, sowie weitere innovative Materialsysteme. Abschließend zeige ich auf, wie wir Künstliche Intelligenz verantwortungsvoll nutzen können (und sollten), um die menschliche Intelligenz zu stärken – damit wir neugierig, optimistisch und vor allem menschlich bleiben.