Räumliches Vorstellungsvermögen und Verständnis für molekulare Dynamik gehören zu den größten Hürden im Chemie-Studium. Klassische 2D-Darstellungen können kaum vermitteln, wie sich Moleküle im Raum bewegen, verformen und reagieren. Bestehende VR-Ansätze in der Chemielehre sind zudem oft kostenintensiv, proprietär oder nicht mehr aktiv weiterentwickelt.
VirtMolSim setzt hier an: Im Zentrum steht eine bidirektionale Schnittstelle zwischen VR-Hardware und der Open-Source-Software . Nutzer:innen manipulieren Moleküle mit haptischem Feedback in Echtzeit – Änderungen wirken sich unmittelbar auf die zugrunde liegende Simulation aus. Die Plattform ist für zwei Szenarien ausgelegt: die individuelle Nutzung mit kostengünstiger Gaming-Hardware sowie den Kurseinsatz mit High-End-Systemen im Mixed-Reality-Lab der ±«²Ô¾±±¹±ð°ù²õ¾±³Ùä³Ùsbibliothek (UB).
Didaktisch folgt das Projekt den Prinzipien des Embodied Learning und verbindet strukturelles, dynamisches und theoretisches Verständnis miteinander. Studierende sind dabei nicht nur Zielgruppe, sondern auf allen Ebenen eingebunden – von der Konzeption über die technische Entwicklung als studentische Hilfskräfte bis zur aktiven Mitforschung in der Evaluation.
Die Umsetzung erfolgt in fünf Arbeitspaketen: von der Bedarfsanalyse über den Aufbau der technischen Schnittstelle und die Hardwarebeschaffung bis zur vollständigen Integration in die Lehre und einem Nachnutzungskonzept. Begleitet wird das Projekt durch eine qualitative Evaluation in Zusammenarbeit mit der Hochschuldidaktik Sachsen (HDS). Langfristige Wirksamkeit sichern ein offener, dokumentierter Code, ein Dozentenhandbuch sowie die feste Einbindung in die digitale Infrastruktur des MR-Labs der UB.
Das Team:
- Dr. Conrad Hübler (Projektleitung; Institut für Physikalische Chemie und UB)
- M. Sc. Lena Bussmann Fuentes (wissenschaftliche Mitarbeiterin; Institut für Physikalische Chemie, 91²Ö¿âBAFdigital)
- Dipl.-Ing. Tobias Bräuer (UB)
- B. Sc. Gerd Gehrisch (Masterand, wissenschaftliche Hilfskraft)
- Anja Voigt (Studentische Hilfskraft)
- Esha Kühn (Studentische Hilfskraft)
Software
Die technische Grundlage von VirtMolSim bilden zwei eng verzahnte Open-Source-Projekte: curcuma stellt die Simulations-Engine für Molekulardynamik und quantenchemische Berechnungen bereit, qurcuma liefert die zugehörige Qt-basierte Oberfläche zur Visualisierung und interaktiven Steuerung dieser Berechnungen in Echtzeit. Beide Programme werden aktiv weiterentwickelt; regelmäßig bereitgestellte Binaries ermöglichen den direkten Test aktueller Entwicklungsstände.
Aktueller Meilenstein:
GPU-Beschleunigung (CUDA/ROCM) der GFN-Methoden (Geometries, Frequencies, Non-covalent Interaction) von Grimme:[1] Auf einer High-End-Gaming-Grafikkarte (RTX 5080) läuft die Molekulardynamik-Simulation eines Polymers mit 1.400 Atomen mit über 30 fps – schnell genug für eine flüssige, interaktive Echtzeit-Manipulation in VR.
[1] a) C. Bannwarth, E. Caldeweyher, S. Ehlert, A. Hansen, P. Pracht, J. Seibert, S. Spicher, S. Grimme WIREs Comput. Mol. Sci., 2020, 11, e01493. b) S. Grimme, C. Bannwarth, P. Shushkov, J. Chem. Theory Comput., 2017, 13, 1989-2009. c) C. Bannwarth, S. Ehlert and S. Grimme., J. Chem. Theory Comput., 2019, 15, 1652-1671. d) S. Spicher and S. Grimme, Angew. Chem. Int. Ed., 2020, 59, 15665–15673
- Laufzeit: 01.04.2026 - 31.03.2028
- Projektpartner: ±«²Ô¾±±¹±ð°ù²õ¾±³Ùä³Ùsbibliothek "Georgius Agricola"
- ¹óö°ù»å±ð°ù³Ù°ùä²µ±ð°ù: StIL - Stiftung Innovation in der Hochschullehre!
