Schon Newton stellte die Bewegungsgleichungen der klassischen Mechanik auf, mit denen sich z. B. die Bahnen von fallenden Äpfeln, Billardkugeln oder Planeten vorherberechnen lassen, wenn zu einem gegebenen Zeitpunkt die Geschwindigkeiten und Lagen der Äpfel, Billardkugeln oder Planeten bekannt sind.

Eis-X: Die Wasserstoffbrücke verkürzt sich unter zunehmender Druckanwendung bei -248 °C. Wasserstoff ist erst eindeutig zugeordnet (oben), pendelt dann zwischen beiden Sauerstoffen hin und her und bleibt dann genau zwischen beiden (unten). © ChemieRUBIN

Diese Gleichungen nutzen Wissenschaftler auch heute für Computersimulationen von Systemen aus Atomen oder Molekülen. Die zugrunde liegenden Wechselwirkungen, die aus Experimenten bekannt sind, werden bei derartigen Simulationen durch einfache Wechselwirkungsmodelle vorgegeben. Danach berechnen die Forscher die Bahnen der Teilchen und die Änderungen der Eigenschaften wie zum Beispiel Energie oder Impuls entlang der Bahnen, aus denen sich die makroskopischen Stoffeigenschaften herleiten lassen.

Doch erst die Theorie der Quantenmechanik, 1925 – 1926 von Heisenberg und Schrödinger formuliert, beschreibt das Verhalten von Molekülen korrekt. Entsprechende Simulationen wurden aber erst mit den bahnbrechenden Arbeiten von Car und Parrinello (1985) möglich. Durch Simulationen mit Kernen und Elektronen auf Basis der Quantenmechanik ("ab initio"- oder "first principles simulations") können selbst chemische Reaktionen und auch Wasserstoffbrückenbindungen zuverlässig untersucht werden.

Der enorme Vorteil ist, dass Wechselwirkungen nach den Grundgesetzen der Quantenphysik wirklich ausgerechnet und nicht mehr wie bei traditionellen Simulationen durch einfache Wechselwirkungsmodelle näherungsweise bestimmt werden. So zerfallen die H2O-Moleküle während der Eissimulationen bei genügend hohem Druck tatsächlich im Rechner in ihre Bestandteile Wasserstoff und Sauerstoff.

Quantenmechanische Simulationen erfordern aufgrund der Komplexität der Gleichungen extrem hohe Rechnerkapazitäten und an die jeweiligen Problemstellungen speziell angepasste Programme. Am Lehrstuhl für Theoretische Chemie steht den Forschern dafür unter anderem ein Supercomputer mit 152 Prozessoren, bis vor kurzem eine der größten Anlagen dieser Art in Deutschland, zur Verfügung, der gemeinsam mit hocheffizienten Simulationsprogrammen faszinierende Einblicke in die molekulare Natur erlaubt.