pyiron - an integrated development environment for ab initio thermodynamics
Creators: name: Janßen, Jan
Publisher: name: Universität Paderborn
Year: 2021

description: Vom Elektroauto bis zum Implantat sind es spezialisierte Werkstoffe und vor allem metallische Legierungen, welche kontinuierlich Innovationen vorantreiben. Jede Änderung der elektronischen Struktur durch die chemische Zusammensetzung, der thermodynamischen Phasenstabilität durch die Temperatur oder der Defektdichte und der Kornstruktur durch mechanische Bearbeitung kann die makroskopischen Materialeigenschaften beeinflussen. Die intrinsische Hierarchie der Materialien ermöglicht ein anwendungsspezifisches Materialdesign und spezifische Anpassungen einzelner Materialeigenschaften. Eine der verbleibenden Herausforderungen ist es, diese Struktur-Eigenschafts-Beziehung gezielt auszunutzen und langlebige, energetisch stabile Konfigurationen von metastabilen und instabilen zu unterscheiden. Ein Ansatz, diese Herausforderung zu adressieren, sind ab initio thermodynamische Simulationen, die parameterfreie - ab initio - Modelle aus der Quantenchemie mit physikalischen Modellen der Thermodynamik kombinieren, um temperatur-, druck- und konzentrationsabhängige freie Energien zu berechnen. Basierend auf diesen freien Energien quantifiziert das Phasendiagramm, welche thermodynamische Phase bei gegebener Konzentration, Druck und Temperatur energetisch stabil ist. Mit diesem theoretischen Ansatz wird die Anzahl der erforderlichen experimentellen Messungen reduziert. Dies beschleunigt das anwendungsspezifische Materialdesign. Die derzeitige Einschränkung der ab initio Thermodynamik ist jedoch die Hierarchie der Modelle, die sich aus der intrinsischen Hierarchie der Materialien ergibt. Da viele dieser Modelle in unterschiedlichen wissenschaftlichen Feldern entwickelt werden, erfordert die Kombination von zwei Modellen das theoretische Verständnis beider, die praktische Erfahrung mit ihnen und die technischenFähigkeiten, die Schnittstelle zwischen beiden zu konstruieren.
description: From electric cars to human implants, specialized materials and metals in particular continue to drive innovation. Any change of electronic structure by chemical composition, thermodynamic phase stability by temperature, or defect density and grain structure by mechanical processing can affect the macroscopic material properties. The hierarchical nature of materials enables the adjustment of individual material properties and results in application- specific materials design. One of the remaining challenges is to purposefully exploit this structure-property relation and to differentiate long-lasting, energetically stable configurations from metastable and unstable ones. One approach to address this challenge are ab initio thermodynamics simulations, which combine parameter free - ab initio - models, originated in quantum chemistry with physical models for thermodynamics to calculate temperature, pressure and concentration dependent free energies. Based on these free energies the phase diagram quantifies which thermodynamic phase is energetically stable at a given concentration, pressure and temperature. With this theoretical approach the number of required experimental measurements is reduced, which accelerates the application-specific materials design. Still, the current limitation of ab initio thermodynamics is the hierarchy of models as a result of the hierarchical nature of materials. As many of these models are developed in rather different communities, the combination of two models requires the theoretical understanding of both, the practical experience with them and the technical skills to construct the interface between both of them.To address this technical complexity, the pyiron integrated development environment (IDE) for ab initio thermodynamics is developed as part of this thesis.