Theoretische Chemie

Die theoretische Chemie verknüpft die Kernwissenschaften Chemie, Physik und Mathematik mit wichtigen Brücken in die Biologie und Informatik. Sie beschreibt Stoffeigenschaften und chemische Prozesse ausgehend von den fundamentalen Naturgesetzen. Hierbei ist die Quantenmechanik eine unverzichtbare Grundlage für das Verständnis von Struktur, Reaktivität, Dynamik und weiteren chemischen Eigenschaften.

Diese Art von Theorie wird häufig auch als Quantenchemie bezeichnet. Zusammen mit Methoden der Statistischen Physik eröffnet sich das Gebiet molekulardynamischer Simulationen (auch ab-initio Moleküldynamik genannt), welches einen direkten Zugang zur Dynamik und Thermodynamik komplexer Prozesse bietet.

Bei der Untersuchung sehr großer Moleküle, beispielsweise aus der Biochemie, Polymerchemie oder Materialchemie, werden die quantenchemischen Methoden oft durch vereinfachte Modelle, sogenannte Kraftfeldmethoden, ergänzt oder ersetzt. Dies erlaubt eine effiziente Simulation von Materialien und Lösungen.

Das breite Methodenrepertoire der theoretischen Chemie steht in zahlreichen Computerprogrammen zur Verfügung und ermöglicht durch immer leistungsfähigere Methoden und stetig wachsende Computerressourcen hochkomplexe Simulationen in Industrie und Wissenschaft. Auf diese Weise können heutzutage komplexe chemische Vorgänge in Labor, Reaktor und Natur nicht nur atomistisch/molekular verstanden, sondern auch quantitativ vorhergesagt werden.

Die Bedeutung der theoretischen Chemie hat aufgrund der rasanten Entwicklungen über die letzten Jahrzehnte stark zugenommen, da nicht nur die Berechnungsmethoden immer besser, sondern auch die Computer für die sehr aufwändigen Berechnungen immer schneller wurden und auch weiterhin werden.

Somit ist die theoretische Chemie zu einem unverzichtbaren Partner bei der experimentellen Forschung in der Chemie und weit darüber hinaus geworden. So können beispielsweise nicht nur Moleküle aufgrund ihrer Spektren (quasi anhand ihres Fingerabdruckes) identifiziert werden, sondern auch das Design neuer pharmazeutisch-aktiver Wirkstoffe oder neuer Materialien am Computer wird ermöglicht.

Die Grundlagen der Quantenmechanik gehören zum Standardprogramm jedes Bachelor-Studiums der Chemie und an vielen Universitäten werden Vorlesungen und Praktika in theoretischer Chemie entweder als Pflichtfach oder zumindest als Wahlfach angeboten. Im Rahmen des Master-Studiums wird die theoretische Chemie zumeist optional vertieft. Fachübergreifende Veranstaltungen aus der Mathematik, Physik und Informatik können hier eine sinnvolle Ergänzung darstellen.

Ähnlich den experimentellen Laborpraktika als zentralem Baustein der chemischen Ausbildung, werden in der theoretischen Chemie Computerpraktika angeboten, die Grundkenntnisse der Methodik, der Programmierung sowie der Anwendung entsprechender Programmpakete vermitteln. Letzteres wird auch als „Computerchemie“ oder gängiger als „Computational Chemistry“ bezeichnet.

Dabei werden Simulationen auf dem Computer durchgeführt, die Einblicke in chemische Eigenschaften und Prozesse erlauben. Solche Computermethoden werden nicht nur immer stärker in der akademischen Forschung, sondern auch zunehmend in der chemischen und pharmazeutischen Industrie angewandt. Die praktischen Anwendungen der Methoden der theoretischen Chemie verdeutlichen hier das immer wichtiger werdende enge Zusammenspiel von Theorie und Experiment zur Beschreibung chemischer Vorgänge.

 

 

Theoretische Chemiker arbeiten sowohl an Universitäten, Forschungseinrichtungen wie beispielsweise Max-Planck-Instituten, in der chemischen und pharmazeutischen Industrie, als auch in IT-Firmen, Rechenzentren und im Finanzbereich. Durch die Breite des Gebietes der theoretischen Chemie sind Absolventen Generalisten mit typischerweise ausgeprägt analytisch-logischem Denkvermögen, die ebenso weit jenseits des engeren Fachgebietes vielfältige Berufsperspektiven finden. Häufig ist auch ihre Kompetenz im Programmieren gefragt.

An Universitäten und Forschungsinstituten liegt der Schwerpunkt sowohl auf der Grundlagenforschung, als auch in einer direkten Verbindung zu experimentellen Studien. Hier gibt es eine Unterscheidung zwischen anwendungs- und methodenorientierten Theoretikern, wobei eine ausgewogene Kombination angestrebt wird.

In der chemischen Industrie liegt derzeit ein Schwerpunkt auf der Berechnung katalytischer Prozesse sowie der Materialforschung, in der pharmazeutischen Industrie im Bereich des „Drug-Designs“.

In anderen Industriebereichen sind die häufig hervorragenden Programmierkenntnisse der theoretischen Chemiker sehr gefragt, mit idealen Voraussetzungen für Tätigkeiten im Software-Bereich und anderen IT-intensiven Branchen einschließlich Anwendungen wie der Messtechnik, Medizintechnik, Logistik oder auch im Versicherungs- und Finanzwesen.

Fach

Die theoretische Chemie verknüpft die Kernwissenschaften Chemie, Physik und Mathematik mit wichtigen Brücken in die Biologie und Informatik. Sie beschreibt Stoffeigenschaften und chemische Prozesse ausgehend von den fundamentalen Naturgesetzen. Hierbei ist die Quantenmechanik eine unverzichtbare Grundlage für das Verständnis von Struktur, Reaktivität, Dynamik und weiteren chemischen Eigenschaften.

Diese Art von Theorie wird häufig auch als Quantenchemie bezeichnet. Zusammen mit Methoden der Statistischen Physik eröffnet sich das Gebiet molekulardynamischer Simulationen (auch ab-initio Moleküldynamik genannt), welches einen direkten Zugang zur Dynamik und Thermodynamik komplexer Prozesse bietet.

Bei der Untersuchung sehr großer Moleküle, beispielsweise aus der Biochemie, Polymerchemie oder Materialchemie, werden die quantenchemischen Methoden oft durch vereinfachte Modelle, sogenannte Kraftfeldmethoden, ergänzt oder ersetzt. Dies erlaubt eine effiziente Simulation von Materialien und Lösungen.

Das breite Methodenrepertoire der theoretischen Chemie steht in zahlreichen Computerprogrammen zur Verfügung und ermöglicht durch immer leistungsfähigere Methoden und stetig wachsende Computerressourcen hochkomplexe Simulationen in Industrie und Wissenschaft. Auf diese Weise können heutzutage komplexe chemische Vorgänge in Labor, Reaktor und Natur nicht nur atomistisch/molekular verstanden, sondern auch quantitativ vorhergesagt werden.

Die Bedeutung der theoretischen Chemie hat aufgrund der rasanten Entwicklungen über die letzten Jahrzehnte stark zugenommen, da nicht nur die Berechnungsmethoden immer besser, sondern auch die Computer für die sehr aufwändigen Berechnungen immer schneller wurden und auch weiterhin werden.

Somit ist die theoretische Chemie zu einem unverzichtbaren Partner bei der experimentellen Forschung in der Chemie und weit darüber hinaus geworden. So können beispielsweise nicht nur Moleküle aufgrund ihrer Spektren (quasi anhand ihres Fingerabdruckes) identifiziert werden, sondern auch das Design neuer pharmazeutisch-aktiver Wirkstoffe oder neuer Materialien am Computer wird ermöglicht.

Studium

Die Grundlagen der Quantenmechanik gehören zum Standardprogramm jedes Bachelor-Studiums der Chemie und an vielen Universitäten werden Vorlesungen und Praktika in theoretischer Chemie entweder als Pflichtfach oder zumindest als Wahlfach angeboten. Im Rahmen des Master-Studiums wird die theoretische Chemie zumeist optional vertieft. Fachübergreifende Veranstaltungen aus der Mathematik, Physik und Informatik können hier eine sinnvolle Ergänzung darstellen.

Ähnlich den experimentellen Laborpraktika als zentralem Baustein der chemischen Ausbildung, werden in der theoretischen Chemie Computerpraktika angeboten, die Grundkenntnisse der Methodik, der Programmierung sowie der Anwendung entsprechender Programmpakete vermitteln. Letzteres wird auch als „Computerchemie“ oder gängiger als „Computational Chemistry“ bezeichnet.

Dabei werden Simulationen auf dem Computer durchgeführt, die Einblicke in chemische Eigenschaften und Prozesse erlauben. Solche Computermethoden werden nicht nur immer stärker in der akademischen Forschung, sondern auch zunehmend in der chemischen und pharmazeutischen Industrie angewandt. Die praktischen Anwendungen der Methoden der theoretischen Chemie verdeutlichen hier das immer wichtiger werdende enge Zusammenspiel von Theorie und Experiment zur Beschreibung chemischer Vorgänge.

 

 

Beruf

Theoretische Chemiker arbeiten sowohl an Universitäten, Forschungseinrichtungen wie beispielsweise Max-Planck-Instituten, in der chemischen und pharmazeutischen Industrie, als auch in IT-Firmen, Rechenzentren und im Finanzbereich. Durch die Breite des Gebietes der theoretischen Chemie sind Absolventen Generalisten mit typischerweise ausgeprägt analytisch-logischem Denkvermögen, die ebenso weit jenseits des engeren Fachgebietes vielfältige Berufsperspektiven finden. Häufig ist auch ihre Kompetenz im Programmieren gefragt.

An Universitäten und Forschungsinstituten liegt der Schwerpunkt sowohl auf der Grundlagenforschung, als auch in einer direkten Verbindung zu experimentellen Studien. Hier gibt es eine Unterscheidung zwischen anwendungs- und methodenorientierten Theoretikern, wobei eine ausgewogene Kombination angestrebt wird.

In der chemischen Industrie liegt derzeit ein Schwerpunkt auf der Berechnung katalytischer Prozesse sowie der Materialforschung, in der pharmazeutischen Industrie im Bereich des „Drug-Designs“.

In anderen Industriebereichen sind die häufig hervorragenden Programmierkenntnisse der theoretischen Chemiker sehr gefragt, mit idealen Voraussetzungen für Tätigkeiten im Software-Bereich und anderen IT-intensiven Branchen einschließlich Anwendungen wie der Messtechnik, Medizintechnik, Logistik oder auch im Versicherungs- und Finanzwesen.