Institut für Technik, Ressourcenschonung und Energieeffizienz (TREE)
Multiscale Molecular Modelling Center
„Creating and using models have a long history in scientific research and education. Computational chemistry is an exciting field that requires cross-disciplinary knowledge to build realistic and trustworthy models. Because of this, one always has the opportunity to learn something new, apply ideas from one field to others, and create new knowledge at incredible resolution levels.”
Dr. Karl Kirschner
Forschungsüberblick
Überblick über Themen und Methoden des Zentrums.
Methodenentwicklung & KI-gestützte Modellierung
Ein zentraler Schwerpunkt der Gruppe ist die Entwicklung und Verfeinerung computergestützter Methoden. Dazu gehören die Entwicklung von Kraftfeldern, die Optimierung von Verlustfunktionen und Gewichtungsfaktoren sowie Verfahren zur multikriteriellen Optimierung. Ein weiteres Feld ist die KI-gestützte Modellierung, wie beispielsweise die Vorhersage von Potentialenergieoberflächen (PES) und die Erforschung komplexer Parameterlandschaften mittels Qualitäts-Diversitäts-Optimierung. Darüber hinaus werden Methoden des maschinellen Lernens mit quantenmechanischen Berechnungen zu hybriden ML→QM-Workflows kombiniert. Abgerundet wird dieser Bereich durch den Einsatz von Virtual Reality in der Lehre und in der Wissenschaftskommunikation.
Themen & Projekte
- Entwicklung von Kraftfeldern und Methoden: Verlustfunktionen, Gewichtungsfaktoren, multikriterielle Optimierung
- Korrelationsfunktionen und Optimierung der Potentialenergieoberfläche (PES)
- Mehrziel- und Qualitäts-Diversitäts-Optimierung der Lennard-Jones-Parameterlandschaft
- Methodik des ML→QM-Workflows
- KI-gestützte Modellierung und generative Methoden
- Visualisierung und Lehre: Virtuelle Realität in der Lehre, Proteine/MD in der Öffentlichkeitsarbeit und als Videospiel
- Ausbildung: SciPro-Kurs; Siedepunkte unter Verwendung von ML mit Jupyter Notebook
Molekülstruktur und Konformationsvorhersage
Die Gruppe befasst sich mit der Vorhersage von Molekülstrukturen und Konformationen kleiner Moleküle. Unser Schwerpunkt liegt auf modernen generativen KI-Methoden sowie auf quantenmechanischen Konformationsdatensätzen für das maschinelle Lernen. Quantenmechanische Methoden werden gezielt in die Konformationsgenerierung integriert, unter anderem für Lignin, und mit ML-Methoden zu End-to-End-ML→QM-Workflows kombiniert. Unter anderem werden Ringverformungseffekte (z. B. Cyclopentan) und QM-Konformere größerer Moleküle (z. B. Nonan) untersucht. Darüber hinaus werden Anwendungen der Kraftfeldentwicklung auf halogenierte Verbindungen und deren Wechselwirkungen mit Wasser betrachtet.
Themen & Projekte
- KI-gestützte Struktur- und Konformationsvorhersage kleiner Moleküle: Benchmarking moderner generativer KI-Methoden
- Erweiterung des Konformationsdatensatzes (QM) für das ML-Training
- QM bei der Konformationsgenerierung für Lignin
- Methodik des ML→QM-Workflows
- Puckering des Cyclopentanrings
- QM-Konformere von Nonan
- Anwendungen der Kraftfeldentwicklung: 1-Brombutan, 2-Brombutan und Erweiterung auf Cl, F, Br, I
- Wechselwirkungen zwischen Br-substituiertem Benzol und Wasser (QM)
Membranproteine und molekulare Mechanismen
Ein weiterer Forschungsschwerpunkt ist die Untersuchung von Membranproteinen und deren molekularen Mechanismen. Mithilfe von All-Atom- und grobkörniger Molekulardynamik (AA-MD, CG-MD) werden Struktur, Dynamik und Funktion dieser Proteine analysiert, unter anderem am nikotinischen Acetylcholinrezeptor (nAChR) in verschiedenen Zuständen sowie am Natrium-Protonen-Austauscher NHE1 und an OCT-Transportern. Darüber hinaus werden Varianteneffekte über Artengrenzen hinweg untersucht, beispielsweise bei ENaC und nAChR, und Datensätze zur Vorhersage von Varianteneffekten (VEP) beim Menschen werden um Daten von Mäusen und Ratten erweitert (artenübergreifend). Ein weiterer Schwerpunkt ist die Charakterisierung potenzieller MCT1-Substrate im Zusammenhang mit angeborenen Stoffwechselstörungen.
Themen & Projekte
- Membranproteine & molekulare Mechanismen: nAChR (AA-MD, CG-MD; Ruhezustand 7KOO, offener Zustand 7KOX), NHE1 (AA-MD), OCT-Transporter (AA-MD)
- Varianteneffekte & Transportproteine: Vorhersage von Varianteneffekten über Artengrenzen hinweg (ENaC, nAChR)
- Artenübergreifende Vorhersage von Varianteneffekten (VEP): Erweiterung der menschlichen VEP-Datensätze um Daten von Mäusen und Ratten
- Charakterisierung potenzieller MCT1-Substrate im Zusammenhang mit angeborenen Stoffwechselstörungen
Wirkstoffdesign und Wirkstofffreisetzung
Die Gruppe befasst sich mit computergestützten Ansätzen zum Wirkstoffdesign und zur Wirkstofffreisetzung. Ein Schwerpunkt liegt auf der Analyse von Struktur-Wirkungs-Beziehungen und dem virtuellen Screening, unter anderem unter Verwendung der MolFuSE-Methode. Darüber hinaus werden Konzepte zum Wirkstoffdesign und zur Wirkstofffreisetzung untersucht. Ein weiterer Themenbereich ist die Modellierung von Cyclodextrinen, die mithilfe von KI-gesteuerter Molekulardynamik (AI-MD) analysiert werden.
Themen & Projekte
- Wirkstoffdesign & virtuelles Screening: Analyse von Struktur-Wirkungs-Beziehungen und virtuelles Screening unter Verwendung der MolFuSE-Methode
- Wirkstofffreisetzung & Cyclodextrine: Konzepte zum Wirkstoffdesign und zur Wirkstofffreisetzung sowie die Modellierung von Cyclodextrinen mittels KI-gestützter Molekulardynamik (AI-MD)
Polymere und Werkstoffe
Ein weiterer Forschungsbereich widmet sich der Modellierung von Polymeren und Werkstoffen. Der Schwerpunkt liegt auf der Untersuchung von Polymerschmelzen, insbesondere von hochdichtem Polyethylen (HDPE) für das Extrusionsblasformen, das mittels grobkörniger Molekulardynamik (CG-MD) simuliert wird. Diese Arbeiten werden auf Additive und auf Polypropylen (PP) ausgeweitet. Darüber hinaus werden modifizierte Membranen analytisch charakterisiert und strukturell interpretiert.
Themen & Projekte
- Polymere & Werkstoffe: Polymerschmelzen aus hochdichtem Polyethylen (HDPE) für das Extrusionsblasformen (CG-MD) mit Ausweitung auf Additive und Polypropylen (PP)
- Analytische Charakterisierung modifizierter Membranen: Strukturelle Interpretation modifizierter Membransysteme
Labore
Die Berechnungen werden auf dem leistungsfähigen Rechencluster der Hochschule Bonn-Rhein-Sieg durchgeführt. Möglichkeiten einer effizienten Parallelisierung in Verbindung mit Simulationswerkzeugen auf dem Stand der Wissenschaft erlauben detailgenaue Berechnungen.
Lehre
As part of the UMMBAS research project, the group is working on the development of a collaborative VR environment to enable efficient collaboration on topics in the field of molecular modeling across geographical boundaries. Once the collaboration concepts under development are established, they are expected to be applicable in teaching as well. In particular, they could be used in teaching modules offered across departments or universities.
Ehemalige
Kooperationspartner
- Edward E. Whitacre Jr. College of Engineering, Texas Tech University (Prof. Dr. Roland Faller)
- Institut für Integrierte Naturwissenschaften, Universität Koblenz (Prof. Dr. Wolfgang Imhof)
- Institut für Prozess- und Verfahrenstechnik, Technische Universität Berlin (Prof. Dr. Jadran Vrabec)
- Department of Chemistry, Furman University, South Carolina (Prof. Dr. George Shields)
- Division of Hematology, Ohio State University, Comprehensive Cancer Center, Columbus, OH USA (Prof. Drs. John Byrd and Karilyn Larkin)
Ausgewählte Publikationen
Arbeitsgruppe Computational Chemistry
2026
Karl N. Kirschner:
Extending the Python RESP Framework for Extra Point Charge Fitting.
doi:10.1021/acs.jcim.6c02302 PMID
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Alexander Hagg, Dirk Reith, Matthias Preller, Karl N. Kirschner:
Molecular Function-guided Unsupervised Similarity-based Enrichment for Low-Data Virtual Screening.
doi:10.21203/rs.3.rs-9781932/v1
BibTeX | RIS
Robin Paul Strickstrock:
Automatized Multi-Scale Force-Field Parameter Optimization of Lennard-Jones Parameters for Molecular Dynamics Simulations.
doi:10.82549/OPUS4-2647
BibTeX | RIS
Bastian F. Bundschuh, Franziska Kley, Hebah Fatafta, Birgit Strodel:
All-atom MD simulations of amyloid–membrane interactions: Setup, execution, and analysis.
doi:10.1016/bs.mie.2026.01.031 PMID
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Kacper Rzepiela, Yousef Najajreh, Aneta Buczek, Birgit Strodel, Hebah Fatafta:
Molecular Insights into the Incorporation of Platinum-Based Drugs into Lipid Aggregates.
PDF Download (CC-BY 4.0) doi:10.1021/acsomega.5c11203 urn:nbn:de:hbz:1044-opus-94730 PMID
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2025
Anna Leitz, Batuhan Kav, Xiyang Liu, Hebah Fatafta, Vera Jankowski, Bastian Aggeler, Yingying Gao, Ina Verena Martin, Kristian Vogt, Rafael Kramann, Tammo Ostendorf, Thomas Rauen, Birgit Strodel, Ute Raffetseder:
Guanidinylation of the cold shock protein YB-1: Molecular basis, structural changes and Notch-3 receptor binding.
doi:10.1002/pro.70188 PMID
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Dirk Grommes, Olaf Bruch, Wolfgang Imhof, Dirk Reith:
Coarse-Grained Molecular Dynamics Study of the Melting Dynamics in Long Alkanes.
PDF Download (CC BY 4.0) doi:10.3390/polym17182500 PMID urn:nbn:de:hbz:1044-opus-92378
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Robin Strickstrock, Alexander Hagg, Dirk Reith, Karl N. Kirschner:
Speed up Multi-Scale Force-Field Parameter Optimization by Substituting Molecular Dynamics Calculations with a Machine Learning Surrogate Model.
PDF Download (CC BY 4.0) doi:10.1002/cphc.202500353 PMID urn:nbn:de:hbz:1044-opus-92140
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Karl N. Kirschner:
Gas-Phase Benzene-Methanol Dimer Configurations: Geometries, Relative Stabilities, and Interaction Energies.
PDF Download (CC BY-NC-ND 4.0) doi:10.1021/acs.jpca.5c03923 PMID urn:nbn:de:hbz:1044-opus-91857
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Robin Strickstrock, Alexander Hagg, Marco Hülsmann, Karl N. Kirschner, Dirk Reith:
Fine-tuning property domain weighting factors and the objective function in force-field parameter optimization.
PDF Download (CC BY 4.0) doi:10.1016/j.jmgm.2025.109035 PMID urn:nbn:de:hbz:1044-opus-90066
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Aneta Buczek, Kacper Rzepiela, Malgorzata A. Broda, Teobald Kupka, Birgit Strodel, Hebah Fatafta:
Water modulated influence of intramolecular hydrogen-bonding on the conformational properties of Cannabidiol (CBD).
doi:10.1016/j.molliq.2025.127033
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2024
Hebah Fatafta, Mohammed Khaled, Batuhan Kav, Olujide O. Olubiyi, Birgit Strodel:
A brief history of amyloid aggregation simulations.
doi:10.1002/wcms.1703
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Dirk Grommes:
Untersuchung des mikromechanischen Verhaltens von Polyethylen mittels vergröberter Molekulardynamik Simulationen.
URL
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Dirk Grommes, Olaf Bruch, Dirk Reith:
Mimicking Polymer Processing Conditions on the Meso-Scale: Relaxation and Crystallization in Polyethylene Systems after Uni- and Biaxial Stretching.
PDF Download (CC BY 4.0) doi:10.3390/molecules29143391 PMID urn:nbn:de:hbz:1044-opus-85233
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2023
Eva Smorodina, Batuhan Kav, Hebah Fatafta, Birgit Strodel:
Effects of ion type and concentration on the structure and aggregation of the amyloid peptide A β16-22.
doi:10.1002/prot.26635 PMID
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Alexander Hagg, Karl N. Kirschner:
Open-Source Machine Learning in Computational Chemistry.
PDF Download (CC BY-NC-ND 4.0) doi:10.1021/acs.jcim.3c00643 PMID urn:nbn:de:hbz:1044-opus-74406
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Max Müller, Alexander Hagg, Robin Strickstrock, Marco Hülsmann, Alexander Asteroth, Karl N. Kirschner, Dirk Reith:
Determining Lennard-Jones Parameters Using Multiscale Target Data through Presampling-Enhanced, Surrogate-Assisted Global Optimization.
doi:10.1021/acs.jcim.2c01231 PMID
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JinHeng Lin, Sean M. Gettings, Khaoula Talbi, Rainer Schreiber, Michael J. Taggart, Matthias Preller, Karl Kunzelmann, Mike Althaus, Michael A. Gray:
Pharmacological inhibitors of the cystic fibrosis transmembrane conductance regulator exert off-target effects on epithelial cation channels.
PDF Download (CC BY 4.0) doi:10.1007/s00424-022-02758-9 PMID urn:nbn:de:hbz:1044-opus-64572
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2022
Lucie Khemtemourian, Hebah Fatafta, Benoit Davion, Sophie Lecomte, Sabine Castano, Birgit Strodel:
Structural Dissection of the First Events Following Membrane Binding of the Islet Amyloid Polypeptide.
doi:10.3389/fmolb.2022.849979 PMID
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Dirk Grommes, Martin R. Schenk, Olaf Bruch, Dirk Reith:
Initial Crystallization Effects in Coarse-Grained Polyethylene Systems After Uni- and Biaxial Stretching in Blow-Molding Cooling Scenarios.
PDF Download (CC BY 4.0) doi:10.3390/polym14235144 PMID urn:nbn:de:hbz:1044-opus-65219
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Walter Fiedler, Fabian Freisleben, Jasmin Wellbrock, Karl N. Kirschner:
Mebendazole's Conformational Space and Its Predicted Binding to Human Heat-Shock Protein 90.
doi:10.1021/acs.jcim.2c00290 PMID
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Robin Strickstrock, Marco Hülsmann, Dirk Reith, Karl N. Kirschner:
Optimizing Lennard-Jones parameters by coupling single molecule and ensemble target data.
doi:10.1016/j.cpc.2022.108285
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2021
Hebah Fatafta, Batuhan Kav, Bastian F. Bundschuh, Jennifer Loschwitz, Birgit Strodel:
Disorder-to-order transition of the amyloid-β peptide upon lipid binding.
doi:10.1016/j.bpc.2021.106700 PMID
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Hebah Fatafta, Mohammed Khaled, Michael C. Owen, Abdallah Sayyed-Ahmad, Birgit Strodel:
Amyloid-β peptide dimers undergo a random coil to β-sheet transition in the aqueous phase but not at the neuronal membrane.
doi:10.1073/pnas.2106210118 PMID
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Hebah Fatafta, Suman Samantray, Abdallah Sayyed-Ahmad, Orkid Coskuner-Weber, Birgit Strodel:
Molecular simulations of IDPs: From ensemble generation to IDP interactions leading to disorder-to-order transitions.
doi:10.1016/bs.pmbts.2021.06.003 PMID
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Dirk Grommes, Martin R. Schenk, Olaf Bruch, Dirk Reith:
Investigation of Crystallization and Relaxation Effects in Coarse-Grained Polyethylene Systems after Uniaxial Stretching.
PDF Download (CC BY 4.0) doi:10.3390/polym13244466 PMID urn:nbn:de:hbz:1044-opus-60472
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2020
Hebah Fatafta, Chetan Poojari, Abdallah Sayyed-Ahmad, Birgit Strodel, Michael C. Owen:
Role of Oxidized Gly25, Gly29, and Gly33 Residues on the Interactions of Aβ1-42 with Lipid Membranes.
doi:10.1021/acschemneuro.9b00558 PMID
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Meera C. Viswanathan, William Schmidt, Peter Franz, Michael J. Rynkiewicz, Christopher S. Newhard, Aditi Madan, William Lehman, Douglas M. Swank, Matthias Preller, Anthony Cammarato:
A role for actin flexibility in thin filament-mediated contractile regulation and myopathy.
doi:10.1038/s41467-020-15922-5 PMID
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Wiebke Ewert, Peter Franz, Georgios Tsiavaliaris, Matthias Preller:
Structural and Computational Insights into a Blebbistatin-Bound Myosin•ADP Complex with Characteristics of an ADP-Release Conformation along the Two-Step Myosin Power Stoke.
PDF Download (CC BY 4.0) doi:10.3390/ijms21197417 urn:nbn:de:hbz:1044-opus-50854 PMID
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Andrea Cesari, Gloria Uccello Barretta, Karl N. Kirschner, Matteo Pappalardo, Livia Basile, Salvatore Guccione, Clizia Russotto, Maria Rosaria Lauro, Francesca Cavaliere, Federica Balzano:
Interaction of natural flavonoid eriocitrin with β-cyclodextrin and hydroxypropyl-β-cyclodextrin: an NMR and molecular dynamics investigation.
doi:10.1039/D0NJ02022B
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Karl N. Kirschner, Dirk Reith, Wolfgang Heiden:
The performance of Dunning, Jensen, and Karlsruhe basis sets on computing relative energies and geometries.
doi:10.1080/1539445x.2020.1714656
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Dirk Grommes, Dirk Reith:
Determination of relevant mechanical properties for the production process of polyethylene by using mesoscale molecular simulation techniques.
doi:10.1080/1539445x.2020.1722692
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Martin R. Schenk, Thorsten Köddermann, Karl N. Kirschner, Sandra Knauer, Dirk Reith:
Molecular Dynamics in the Energy Sector: Experiment and Modeling of the CO2/CH4 Mixture.
doi:10.1021/acs.jced.9b00503
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2019
Austen Bernardi, Roland Faller, Dirk Reith, Karl N. Kirschner:
ACPYPE update for nonuniform 1–4 scale factors: Conversion of the GLYCAM06 force field from AMBER to GROMACS.
doi:10.1016/j.softx.2019.100241
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2018
Dirk Reith, Johannes Geilen, Wolfgang Joppich, Olaf Bruch, Bernhard Möginger, Esther Ramakers-van Dorp, Dirk Grommes, Patrick Michels, Christopher Schirrmeister:
Ressourcenoptimierte Bauteilentwicklung durch systematische Verzahnung von Experiment und multiskaligen Simulationsansätzen, Akronym: ReBauVES: Abschlussbericht.
doi:10.2314/KXP:1668297248
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Jadran Vrabec, Martin Bernreuther, Hans-Joachim Bungartz, Wei-Lin Chen, Wilfried Cordes, Robin Fingerhut, Colin W. Glass, Jürgen Gmehling, René Hamburger, Manfred Heilig, Matthias Heinen, Martin T. Horsch, Chieh-Ming Hsieh, Marco Hülsmann, Philip Jäger, Peter Klein, Sandra Knauer, Thorsten Köddermann, Andreas Köster, Kai Langenbach, Shiang-Tai Lin, Philipp Neumann, Jürgen Rarey, Dirk Reith, Gábor Rutkai, Michael Schappals, Martin R. Schenk, Andre Schedemann, Mandes Schönherr, Steffen Seckler, Simon Stephan, Katrin Stöbener, Nikola Tchipev, Amer Wafai, Stephan Werth, Hans Hasse:
SkaSim - Skalierbare HPC-Software für molekulare Simulationen in der chemischen Industrie.
doi:10.1002/cite.201700113
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Karl N. Kirschner, Wolfgang Heiden, Dirk Reith:
Small Alcohols Revisited: CCSD(T) Relative Potential Energies for the Minima, First- and Second-Order Saddle Points, and Torsion-Coupled Surfaces.
PDF Download doi:10.1021/acsomega.7b01367 urn:nbn:de:hbz:1044-opus-34995 PMID
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2017
Martin R. Schenk, Karl N. Kirschner, Dirk Reith:
Kraftfeldentwicklung für molekulare Simulationen – Einfluss der Auswahl verschiedener Punktladungssätze auf potentielle Energien und ausgewählte thermodynamische Observablen.
BibTeX | RIS
Marco Hülsmann, Bernhard Klaassen, Andreas Krämer, Ottmar Krämer-Fuhrmann, Tosawi Pangalela, Dirk Reith, Klaus Hack, Johannes Linden:
Calculation of Chemical Equilibria in Multi-Phase: Multicomponent Systems.
doi:10.1007/978-3-319-62458-7_1
BibTeX | RIS
Thorsten Köddermann, Martin R. Schenk, Marco Hülsmann, Andreas Krämer, Karl N. Kirschner, Dirk Reith:
Molecular Dynamics Simulation of Membrane Free Energy Profiles Using Accurate Force Field for Ionic Liquids.
doi:10.1007/978-3-319-62458-7_14
BibTeX | RIS
Sandra Knauer, Martin R. Schenk, Thorsten Köddermann, Dirk Reith, Philip Jaeger:
Interfacial Tension and Related Properties of Ionic Liquids in CH4 and CO2 at Elevated Pressures: Experimental Data and Molecular Dynamics Simulation.
doi:10.1021/acs.jced.6b00751
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Dirk Grommes, Olaf Bruch, Johannes Geilen, Dirk Reith:
Ressourceneffiziente Optimierung von Hohlkörpern aus Kunststoff mittels Multiskalensimulation.
URL doi:10.13140/RG.2.2.35976.62729
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Karl N. Kirschner, Wolfgang Heiden, Dirk Reith:
Relative electronic and free energies of octane's unique conformations.
doi:10.1080/00268976.2016.1262076
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Kontakt
Dirk Reith
Mathematik, Physik und Simulationsanwendungen (Forschungsprofessur), Direktor des TREE-Instituts, Faculty Advisor BRS Motorsport (Formula Student)
Forschungsfelder
Standort
Sankt Augustin
Raum
B 223
Adresse
Grantham-Allee 20
53757 Sankt Augustin
Telefon
+49 2241 865 9678