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Rückblick
Während den 80ern war molekulares Modellieren eine vielversprechende Anwendung in der pharmazeutischen Industrie. In den 90ern haben die Biotechnologie, Automatisierung und Robotik gemeinsam die Geschwindigkeit von experimentellen Tests derart beschleunigt, dass sie den Computersimulationen auf der Suche nach neuen Medikamenten den Rang abgelaufen haben. Mittlerweile haben wissenschaftliche Arbeiten in der rechnergestützten Chemie Methoden, Modelle und Simulationen zu höherer Genauigkeit und Zuverlässigkeit geführt. Die stetige Zunahme der Rechenleistung neuer Mikroprozessoren hilft immer mehr Vorgänge und grössere Systeme mit atomarer oder molekularer Genauigkeit zu simulieren. Was in den neunzigern Hundertausende bis Millionen gekostet hätte, steht heute leistungsmässig auf Ihrem Schreibtisch als gewöhnlicher Arbeitsrechner. xirrus simulation ist bereit die heutige Rechenleistung für die Aufklärung Ihrer molekularen Probleme einzusetzen. | |
Angewandte atomgenaue und molekulare Dynamik:
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Das übergeordnete Bild - Bottom-UpDie letzten Jahrzehnte schritt die Industrie Top-Down jenseits von mikroskopischen Anwendungen ins Reich der Nanotechnologie. Viele KMU werden von unserem Bottom-Up Ansatz profitieren, weil er weiter geht als Molecular Modeling und atomgenaue Simulation, daher mehr Einblick auf der Nanoskala ermöglicht. Ihre F&E wird ergänzt durch molekular gewonnene Erkenntnisse basierend auf dem Bottom-Up Ansatz. |
xirrus simulation bietet sich hier anxirrus wendet sich an KMU Entscheidungsträger und Forscher, die sich ebenfalls folgende Gedanken machen: Wie können wir mit der Industrie an vorderster Front mithalten und dabei auch noch das neueste Wissen aus den Hochschulen gewinnbringend nutzen? Wenn sich Ihre Anwendung auf molekulare Eigenschaften zurückführen lässt, können Sie xirrus simulation konsultieren - vielleicht lösen gerade wir Ihr Problem oder kennen einen passenden Partner aus unserem Netzwerk.Zögern Sie nicht bei Ihrer Innovation!xirrus simulation beschreibt Systeme bis zur Nanoskala mit Hilfe von angewandter Molekulardynamik. Anstatt dem üblichen Top-Down Ansatz, der für die Konzeption makroskopischer Objekte eingesetzt wird - z.B. für den Schiffsrumpf einer Alinghi, folgt xirrus simulation Bottom-Up in die andere Richtung und setzt die Systeme aus Atomen und Molekülen zusammen und studiert die Interaktionen bis auf der Nanoskala. Diese Vorgehensweise empfehlen wir nun auch für KMU, welche nicht über eine eigene Forschungsgruppe in Computersimulation verfügen, um diesen Ansatz umzusetzen, jedoch sehr interessiert an atomgenauen Details ihrer Forschung sind, welche sich im Herzen der Nanotechnologie, der Materialwissenschaften, der Physikalischen Chemie, der biologischen Systeme und in den Life Sciences abspielen.Referenz-Beispiel einer industriellen Anwendung - anonymisiertFür den Hersteller eines medizinischen Implantats für Menschen ist es entscheidend, dass sein Implantat vom Immunsystem nicht als fremd erkannt wird, dass das Implantat den chirurgischen Eingriff unbeschadet übersteht und dass es auch danach seine Funktion während der erwarteten Lebenszeit tadellos erfüllen kann.Viele dieser Anforderungen haben ihren Ursprung in molekularen Interaktionen mit dem Organismus. xirrus simulation hat sich einem medizinischen Implantate-Hersteller als Partner in einem grösseren Forschungsprojekt angeboten, um die Schnittstelle zwischen Zielzellen und der Implantatoberfläche zu optimieren, wie auch die Medikamentenabgabe auf der Nanoskala zu evaluieren. xirrus simulation konsultieren oder in-house simulieren?Obschon es zahlreiche kommerzielle wie auch frei erhältliche Software-Pakete und Modelle gibt, ist die Wahl der numerischen Programme, der korrekten Parameter und geeigneter Methoden keine leichte Entscheidung - wenn die Erfahrung fehlt. Partner bei xirrus haben jahrelang in molekularer Simulation geforscht und halten sich über neue Entwicklungen und Methoden, Anwendungen und Publikationen auf dem Laufenden.Atomgenaue Simulationen betrachten die Moleküle als physikalische Einheiten, die auch physikalischen Gesetzen gehorchen sollten, selbst wenn einige nicht-physikalische Vereinfachungen oder numerische Fehler diesem Anspruch zuwiderlaufen. Unsere Expertise in molekularer Simulation kann das Zusammenspiel verschiedener Bestandteile und die damit verbundenen Schwierigkeiten verstehen und mit Herzblut bewältigen. Unerwartet auftauchende Schwierigkeiten in simulierten Systemen werden durch Interpretation und Erfahrung wettgemacht. Ein Neueinsteiger wird sich mit den unzähligen Entscheidungen, welche er sinnvoll treffen sollte schwertun und so könnte er für Wochen oder Monate Computerleistung beanspruchen, ohne ernsthafte Resultate zu generieren. Deshalb, wenn Ihr Anspruch an den Aufbau einer in-house Lösung ungestillt ist, sollten Sie mindestens Ihre Leute im akademischen Umfeld rekrutieren oder von Leuten aus dem Fachgebiet ausbilden lassen. Sie können xirrus simulation jederzeit konsultieren um Ihre eigene Forschungsgruppe für molekulare Simulation aufzubauen. Aber dies macht aus unserer Sicht wirklich nur Sinn, wenn Ihr Bedarf an Modellierung und Simulation so gross ist, dass durch die stetige Auslastung eigene Forscher und Equipment hierfür kostengünstiger sind. Was kann erreicht werden?Makroskopische Eigenschaften werden als Kontrolle verwendet, um molekulare Modelle den experimentell gemessenenen Werten anzugleichen. Nach dieser unabdingbaren Parametrisierung können durch dieses Modell auch molekular bedingte Eigenschaften berechnet werden, die experimentell nicht gut messbar sind oder wo weitere Experimente nicht ausreichen, um die Messwerte zu erklären.Aktuelles BeispielIn vielen industriellen Anwendungen sind Filter wie z.B. Polymermembranen sehr wichtig. Diese sind oft schwierig zu charakterisieren und können nicht oder nur sehr aufwändig bis ins Detail experimentell untersucht werden. In der Simulation hingegen kann der Übergang einzelner Moleküle durch die Membranschicht ausführlich untersucht und verstanden werden, sowie besser geeignete Substanzen gesucht, deren Eigenschaften und ideale Bedingungen vorhergesagt werden. | ||
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Atomgenaue Simulation (atomistic simulation)Chemiker der organischen Chemie und Materialwissenschafter erhalten einen atomgenauen Einblick in ihre Synthese-Moleküle und Strukturen durch quantenmechanische ab initio oder semi-empirische Berechnungen. Die aufwendigen Methoden helfen ihnen Schlüsseleigenschaften der chemischen Verbindungen besser zu begreifen und mögliche Reaktionswege zu ihren Produkten zu untersuchen.Molekulares Modellieren (molecular modeling)Die Pharmazeutische Industrie hat eine lange Tradition im "Rational Drug Design" und "Molecular Modeling". Sie untersucht ihre Ziel- und Medikamenten-Moleküle mit Berechnungsmethoden, um die erwünschten Schlüsselqualitäten für neue medizinische Anwendungen zu finden.Molekulare Simulation (Molecular Dynamics)Grössere dynamische Strukturen (in Lösungen) können mit Molekularer Dynamik (MD), Monte Carlo (MC) oder z.B. Brownscher Dynamik (BD) simuliert werden, wobei chemische Reaktionen vernachlässigt werden, jedoch die Interaktionen zwischen Molekülen gestützt auf empirische Modelle (Kraftfelder, "force-fields") enthalten sind.Hier kommt die Expertise von xirrus simulation zum Zug. Wenn empirische Kraftfelder eingesetzt werden, ist es sehr wichtig ihre Grenzen und Schlüsselqualitäten zu kennen und den grösstmöglichen Nutzen mit den durch die Rechenleistung begrenzten Systemen zu erzielen. Mesoskalige SimulationGrobkörnige (coarse grained) Modelle erlauben die Simulation noch grösserer Systeme, wie z.B. Polymere oder supramolekulare Aggregate wie Liposomen. Die Rechenleistung reicht für grössere Systeme nur dank der Modellvereinfachung (weniger Partikel). Vereinfachte Modelle benötigen allerdings eine genauere Parametrisierung, um dennoch die wichtigsten experimentellen Eigenschaften zu bewahren und sind bei der Entwicklung aufwändiger.Makroskopische SimulationFinite Elemente Methoden (FEM) und Rechnergestützte Fluid Dynamik (CFD) werden im Ingenieurwesen für das Design von hochwirksamen Formen, Maschinen und Konstruktionen eingesetzt. xirrus simulation berät seinen CFD Partner bei der Kopplung der Fluid Dynamik von Verbrennungsräumen an chemische Reaktionen und partikelbasierte Systeme.Multiskalige SimulationDie Kombination verschiedener obiger Simulationsmethoden hilft die betrachteten Systemausschnitte grösser zu behalten, und dennoch für die Situation äusserst wichtige Bestandteile detailliert zu analysieren.Industriell an vorderster Front der EntwicklungWichtige Forschungs- und Marktspieler sind mit grossen Rechenzentren ausgestattet, die atomgenaue Simulationen von Synthesen, molekulare Simulationen geschmolzener und selbstorganisierender Verbindungen und vieles mehr auf dem Weg zu neuen Anwendungen, z.B. im Chip Design oder für Katalysatoren, ermöglichen.Forschung an Universitäten und HochschulenJede Gruppe hat Ihren bevorzugten Forschungsschwerpunkt. Einige entwickeln leidenschaftlich neue Methoden und Modelle, andere unterstützen vor allem die Analyse von Experimenten in der bevorzugten chemischen Fachrichtung durch Computersimulation. Meistens muss im universitären Umfeld die Rechenleistung mit anderen Fachgruppen geteilt werden, ist jedoch ansehnlich ausgestattet.Üblicherweise entstehen grundlegende und fundierte Erkenntnisse, welche vielleicht 10 Jahre später Anwendungen finden. | ||
Empfehlungxirrus simulation ist bestens gerüstet um Ihr Unternehmen mit zusätzlichem Wissen über molekulare Interaktionen in Ihren nanoskaligen Systemen zu versorgen, Ihnen die Wirksamkeit Ihrer Systeme aufzuzeigen und zu helfen, diese weiter zu optimieren und langfristig eine besserer Marktstellung Ihrer Innovationen aus der F&E zu erreichen.Nehmen Sie unverbindlich mit uns Kontakt auf.
Dr. Lukas Schuler | |||
Dr. Schuler ist promovierter Naturwissenschafter und Inhaber eines didaktischen Fähigkeitsausweises der ETH Zürich. Er simulierte in der Physikalischen Chemie verschiedene Lipidaggregate auf molekularer Ebene und verbesserte das dazu eingesetzte Modell massgeblich. Er sammelte vier Jahre Erfahrung mit der Entwicklung von Internetanwendungen als Mitinhaber der unabhängigen Firma xirrus GmbH, welche ihre Tätigkeit seit 2004 auf den Bereich Computersimulation fokussiert.
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