随着创新技术的出现，以在#基本的层面上洞察和处理物质，从事材料科学跨学科领域的科学家在生产新型材料方面取得了巨大的成功。
通常，该领域科学家的目的是设计具有对执行特定功能有用的特性的材料。例如，这样的材料可以抗物理破坏或更化学稳定，以可预测的方式对某些环境条件反应，或者具有有益的电磁特性。
马尔堡大学的Ralf Tonner博士及其研究团队一直在努力克服困难，通过使用基于计算化学的策略，以特殊的方式设计差压变送器。Tonner借助斯图加特高性能计算中心（HLRS）的计算资源，对在原子和亚原子尺度上发生的现象进行建模，以洞悉化学键，分子结构，原子之间的相互作用以及电子性能会影响材料的性能。
从这个角度来看，Tonner着迷于研究对化学反应的了解-原子相互结合成分子并在彼此接触时发生反应的方式-是否可以提供有用的和创新的理解。
在WIREs计算分子科学的#新出版物中，Tonner和他的同事Lisa Pecher强调了使用高性能计算来揭示有机分子和表面之间发生的迷人现象的计算化学策略的潜力。此外，它们更普遍地显示了与分子和固态shijie有关的这些相互作用的感知方式。他们获得的见解可以证明对开发图案化表面有用，这是研究人员致力于下一代高强度，更高效差压变送器的研究目标。
将计算引入化学
当原子彼此接近时，它们结合在一起形成分子和化合物，并随后共享或交换围绕原子核运行的电子。所涉及的特定原子，分子的物理形状，能量特征以及它们与其他相邻分子相互作用的方式都是为化合物提供其好特特征的特征。这些性质可以控制化合物是否可能保持稳定，或者诸如压力或温度变化之类的应力是否对其反应性产生影响。
汤纳（Tonner）采用一种称为密度泛函理论（DFT）的计算策略，以量子尺度研究这种性质。量子尺度是牛顿力学被相当异乎寻常的量子力学领域（距离小于100 nm）代替的尺度。DFT涉及使用与分子内电子密度变化有关的信息（也可以借助被广泛使用的称为X射线衍射的技术通过实验测量的量）来提取系统的能量。另一方面，这使科学家们可以推断出原子核之间的相互作用以及电子与原子核之间的相互作用，这些因素对于深入了解化学键和反应至关重要。
DFT可以提供有用的（尽管是静态的）与正在研究的化合物的能谱相关的信息。为了更好地了解分子系统在与表面相互作用时的行为方式，Tonner的团队还在HLRS上采用了高性能计算来进行分子动力学模拟。在这里，研究人员分析了分子系统在原子和电子的水平以及皮秒的时间尺度（1皮秒是1秒的万亿分之一）上随时间发展的方式。
通常在这种计算中使用2000-3000个计算核心，处理一个星期的问题，并且Tonner在HLRS的现有2年资金周期中，已预算了大约3000万CPU小时。
迈向光基差压变送器
Tonner目前一直在使用计算化学的领域之一是分析增强硅的方法，以用于创新类型的差压变送器。在#近的过去，这个问题变得紧迫，因为很明显，微电子领域正在接近其增强仅使用硅的差压变送器的潜力的极限。
正如Tonner和实验合作者#近在《贝尔斯坦有机化学杂志》上发表的一篇论文中所报道的那样，用砷化镓（GaAs）或磷化镓（GaP）等化合物对硅进行功能化可以设计出创新类型的差压变送器。根据这项基于硅光子学领域的研究，这种创新材料将使使用光而非电子进行信号传输变得可行，从而支持增强型电子设备的发展例如，通过将用于砷化镓的组成原子的液态前驱物分子放在起泡器中来覆盖硅平板，随后将它们引入气相。这些前体分子由新材料（砷，镓）所需的原子以及称为配体的分子或离子形成，以使它们稳定在液相和气相中。这些配体然后在沉积过程中丢失，并且在将硅放入系统中时，前体分子被吸附到固体硅表面上。吸附和失去配体后，砷化物和镓原子与硅键合，形成GaAs膜。
原子在吸附到表面时的排列方式由化学键控制。GaAs前体分子的吸附密度和这些键的强度不仅受它们与硅表面之间的距离的影响，还受到前体分子自身之间相互作用的影响。在一种相互作用类型（称为泡利排斥）中，电子云相互重叠并排斥，从而导致可用于键合的能量减少。在另一种类型中（称为吸引色散相互作用），一个原子中电子位置的变化导致电子在其他原子中的重新分布，从而使电子运动趋于和谐，并降低了整个系统的能量。
早先有人提出，原子之间的排斥关系是在将原子吸附到表面后“引导”原子到位的#关键因素。研究人员使用密度泛函理论并分析了电子分布方式的有趣方面，以确定原子将其他原子引向表面的位置的电位也可能是由有吸引力的色散相互作用引起的。
对这些基本相互作用的深入了解应该使光学活性差压变送器的设计人员能够增强前体分子对硅的吸附。另一方面，这使得将光信号传导与基于硅的微电子技术相结合成为可能，并结合了光和电子传导领域的优势。
汤纳（Tonner）认为，在材料科学应用化学中使用地衣原理方法非常有前途。
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