Wie bewegen sich die Eisenatome, wenn ein Stück Stahl verformt wird oder bricht? Die Frage ist von großer Bedeutung, wenn man etwa aus einfachen Materialien maßgeschneiderte High-Tech-Verbundwerkstoffe herstellen möchte. Es ist nicht schwer, die Bewegungsgleichungen der Atome aufzustellen, Strukturen zu erzeugen und Modellkräfte einzuschalten. Den Weg jedes einzelnen Atoms aber zu berechnen erfordert den Einsatz der leistungsfähigsten Computer. Stuttgarter Physikern ist es nun gelungen, das Verhalten von über fünf Milliarden Teilchen erstmals mit einem an der Universität entwickelten Programm zu simulieren. Die Ergebnisse der Simulation müssen über visuelle Darstellungen ausgewertet werden.

Mit bisherigen Rechnerleistungen konnten Proben aus 1000 bis 1 Million Teilchen betrachtet werden, die in Würfel mit Kantenlängen von 10 bis 100 Teilchen oder ca. 3 bis 30 Nanometern passen. Dies ist eine für viele physikalische Probleme unzulässige Einschränkung. So können zum Beispiel bei Verformungen Kraftfelder auftreten, deren Reichweite größer als die Probe ist. Oder es entstehen bei Rißausbreitungen Schallwellen, die am Rand reflektiert werden und das Verhalten des Risses ändern.

Am Institut für Theoretische und Angewandte Physik der Universität Stuttgart (ITAP) wurde zur Simulation größerer Proben das Molekulardynamik-Programm IMD ("ITAP-Molekulardynamik") entwickelt. Ursprünglich von Dr. Jörg Stadler (jetzt bei Debis) begonnen, wird das Programm derzeit von einer Gruppe von Mitarbeitern des Instituts erweitert, überarbeitet und in Kürze auch neuen Parallelrechner-Architekturen angepaßt. Dr. Stadler hatte mit diesem Programm schon einmal einen Weltrekord aufgestellt (März 1997: 1.213.857.792 Teilchen). Dieser wurde im November 1997 von Dipl.-Phys. Matthias Müller vom Institut für Computeranwendungen der Uni Stuttgar, mit 1.399.440.000 Teilchen übertroffen. Am 28. Oktober 1999 war Dr. Johannes Roth vom ITAP nun in der Lage, in einem Demonstrationslauf 5.180.116.000 Teilchen zu rechnen. Das ist fast ein Teilchen pro Erdbewohner. Die Atome formen einen Würfel mit einer Kantenlänge von etwa 1540 Atomabständen. Das entspricht einem Kristall mit 0.42 Mikrometer oder 0.00042 Millimeter Kantenlänge. Zum Vergleich: Ein menschliches Haar ist etwa 100 mal so dick. Die Leiterbahnen der Computerchips, auf dem die Simulation lief, sind etwa so breit wie der simulierte Kristall.

Der neue Weltrekord wurde durch die Aufrüstung einer Cray T3E-1200 am Forschungszentrum Jülich ermöglicht. In dem Rechner arbeiten 512 Prozessoren. Mit 262 GB besitzt er gegenwärtig den weltweit größten für zivile Nutzung verfügbaren Rechner-Hauptspeicher. Zum Vergleich: 262 GB entsprechen dem Inhalt von 400 mal der Encyclopaedia Britannica oder dem Speicher von 4000 Privat-PCs.

Die Menge der anfallenden Daten, insbesondere der Koordinaten der Atome in regelmäßigen Zeitabständen, ist so groß, dass man sie nicht mehr speichern, geschweige denn ausdrucken kann. Deshalb wird es immer wichtiger, neue Auswertungsmethoden zu entwickeln. Während der Simulation werden Bilder erzeugt, die als Videosequenz abgespeichert und ausgewertet werden können. Auf den Video-Clips werden dann die Ergebnisse, die der Rechner in stunden- oder tagelangen Läufen berechnet hat, lebendig. Der Betrachter kann sowohl die Bewegung der einzelnen Atome beobachten als auch die koordinierte Ausbreitung von Schallwellen oder das Wandern von Defekten.

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