Computational Chemistry in der Masterarbeit & Dissertation

DFT-Rechnungen, Molecular Dynamics und quantenchemische Analysen: So dokumentieren, begruenden und praesentieren Sie computergestuetzte Berechnungen in Ihrer Chemie-Thesis – mit korrekter Methodenbeschreibung, Funktional-/Basissatzwahl und reproduzierbaren Ergebnissen.

DFT (B3LYP, M06-2X, ωB97X-D)

Molecular Dynamics

Gaussian / ORCA / VASP

Energieprofile

Uebergangszustaende

Im Team von Business And Science arbeiten promovierte theoretische Chemiker, die selbst publiziert haben – mit Gaussian, ORCA und VASP, auf DFT- und Post-Hartree-Fock-Niveau. Sie übernehmen Funktionalauswahl mit Benchmark-Begründung, Überganszustandssuche mit IRC-Bestätigung und die Erstellung publikationsreifer Energieprofile. Computational-Chemistry-Projekte gehören zu den Arbeiten, bei denen der Methodenteil über die Note entscheidet – und genau dort setzen wir an.

Inhalt

1 Computational Chemistry: Einordnung & Stellenwert
2 DFT-Rechnungen: Funktionale & Basissaetze
3 Geometrieoptimierung & Frequenzanalyse
4 Uebergangszustaende & Energieprofile
5 Molecular Dynamics in der Thesis
6 Software & Dokumentation
7 Haeufige Fehler
8 FAQ

Computational Chemistry in der Thesis – Das Wichtigste

Computational Chemistry ersetzt das Labor durch den Rechner – die Anforderungen an Dokumentation und Reproduzierbarkeit sind aber genauso hoch. Gutachter bewerten: Ist das Funktional fuer die Fragestellung geeignet? Ist der Basissatz ausreichend gross? Wurden Konvergenzkriterien dokumentiert? Wurden Frequenzanalysen durchgefuehrt (keine imaginaeren Frequenzen fuer Minima, genau eine fuer Uebergangszustaende)? In der Thesis muss der Computational-Methodenteil so detailliert sein, dass ein anderer Theoretiker die Rechnungen exakt reproduzieren kann. Unsere Chemie-Ghostwriter umfassen auch promovierte theoretische Chemiker.

1. Computational Chemistry: Einordnung & Stellenwert in der Thesis

Computational Chemistry umfasst alle Methoden, die chemische Probleme mit mathematischen Modellen und Computeralgorithmen loesen. In der Thesis kommt sie in zwei Varianten vor: als eigenstaendige theoretische Arbeit (rein computerguestuetzt, ohne Labor) oder als Ergaenzung zu experimentellen Ergebnissen (z.B. DFT-Rechnungen zur Unterstuetzung einer Strukturzuordnung).

Methode	Ansatz	Typische Systemgroesse	Thesis-Einsatz
DFT	Elektronendichtefunktional	1–500 Atome	Geometrien, Energien, Reaktionsmechanismen, Spektrenvorhersage
Ab-initio (HF, MP2, CCSD(T))	Wellenfunktionsbasiert	1–50 Atome	Benchmark-Rechnungen, hochgenaue Energien, Referenzwerte
Semiempirisch (PM7, GFN2-xTB)	Parametrisierte Naeherung	100–10.000 Atome	Konformationssuche, Voroptimierung, grosse Molekuele
Molecular Dynamics (MD)	Newtonsche Mechanik + Kraftfeld	10.000–1.000.000 Atome	Proteine, Loesungsmitteleffekte, Materialien, Dynamik
Ab-initio MD (AIMD)	DFT-basierte Dynamik	50–500 Atome	Reaktionsdynamik, Protonentransfer, Festkoerper
Periodische DFT	DFT mit periodischen Randbedingungen	Einheitszelle (10–500 Atome)	Festkoerper, Oberflaechen, Katalyse, Materialdesign

Ob rein theoretische Dissertation mit VASP-Oberflächenrechnungen oder DFT-Ergänzung zu einer experimentellen Masterarbeit – wir haben Autoren, die beide Szenarien aus eigener Forschungspraxis kennen. Bringen Sie bereits optimierte Strukturen oder Gaussian-Logfiles mit, übernehmen wir Interpretation, Thermochemie-Korrektur und Ergebnisdarstellung.

Computational Chemistry: Wann eigenstaendig, wann ergaenzend?

Eigenstaendige Thesis: Die gesamte Arbeit basiert auf Rechnungen – kein Labor. Typisch in Physikalischer Chemie, Theoretischer Chemie, Materialwissenschaft. Der Methodenteil muss besonders ausfuehrlich sein. Ergaenzend: DFT-Rechnungen stuetzen experimentelle Ergebnisse – z.B. Bestaetigung eines Reaktionsmechanismus, Vorhersage von NMR-Verschiebungen oder IR-Frequenzen, Erklaerung der Stereoselektivitaet einer Reaktion. In beiden Faellen: Methodenwahl begruenden.

2. DFT-Rechnungen: Funktionale & Basissaetze

Die Dichtefunktionaltheorie (DFT) ist die meistverwendete Methode der Computational Chemistry. Die zentrale Entscheidung: Welches Funktional und welchen Basissatz verwende ich? Diese Wahl bestimmt die Genauigkeit und den Rechenaufwand – und muss in der Thesis begruendet werden.

2.1 Gaengige Funktionale

Funktional	Typ	Staerken	Schwaechen	Empfohlener Einsatz
B3LYP	Hybrid-GGA	Breit validiert, schnell, gute Geometrien	Schlechte Dispersion, mittlere Barrieren	Geometrien, Thermochemie (mit D3-Korrektur)
M06-2X	Meta-Hybrid-GGA	Gute nichtkovalente Wechselwirkungen, Barrieren	Schwere Elemente problematisch	Organische Reaktionsmechanismen, Barrieren
ωB97X-D	Range-Separated Hybrid + Dispersion	Gute Balance Genauigkeit/Kosten, Dispersion inkludiert	Etwas langsamer als B3LYP	Allrounder fuer organische Chemie
PBE / PBE0	GGA / Hybrid-GGA	Effizient fuer Festkoerper, gute Gitterparameter	Bandluecken unterschaetzt (PBE)	Periodische Rechnungen, Materialien
BP86	GGA	Schnell, gute Geometrien fuer Uebergangsmetalle	Keine exakte Austausch-Beimischung	Uebergangsmetallkomplexe, IR-Frequenzen
TPSS / TPSSh	Meta-GGA / Hybrid	Gute Uebergangsmetallchemie	Dispersion fehlt	Anorganische Komplexe, Spinzustaende

Die Wahl zwischen ωB97X-D für organische Mechanismen, PBE-D3 für periodische Systeme oder BP86 für Übergangsmetalle ist keine Geschmacksfrage – sie muss durch Benchmark-Literatur gestützt werden. Genau diese Begründung liefern unsere Autoren im Methodenteil mit, inklusive der passenden Referenzen.

2.2 Dispersionskorrektur

Dispersion ist (fast) immer noetig

Klassische Funktionale (B3LYP, PBE) unterschaetzen van-der-Waals-Wechselwirkungen systematisch. Die empirische Dispersionskorrektur D3(BJ) (Grimme, 2011) behebt das Problem mit minimalem Rechenaufwand. In der Thesis: Verwenden Sie immer eine Dispersionskorrektur, es sei denn, Sie begruenden explizit, warum nicht (z.B. rein kovalente Systeme ohne nichtkovalente Interaktionen). Angabe: „B3LYP-D3(BJ)" oder „PBE-D3(BJ)". Referenz: Grimme et al., J. Chem. Phys. 2010, 132, 154104.

2.3 Basissaetze

Basissatz	Groesse	Einsatz	Bemerkung
6-31G(d)	Klein (Double-Zeta)	Voroptimierung, grosse Systeme	Fuer Energien zu klein – nur fuer Geometrien
6-311+G(d,p)	Mittel (Triple-Zeta)	Guter Kompromiss fuer organische Molekuele	Standard fuer Bachelorarbeit
def2-TZVP	Mittel-gross (Triple-Zeta)	Allrounder, gut fuer Uebergangsmetalle	Empfohlen als Standard (Ahlrichs-Basissaetze)
def2-QZVP	Gross (Quadruple-Zeta)	Basisssatzlimitnaehe, Benchmark	Single-Point-Energien auf optimierter Geometrie
cc-pVTZ / aug-cc-pVTZ	Mittel-gross	Hochgenaue Ab-initio-Rechnungen (MP2, CCSD(T))	Korrelationskonsistente Basissaetze (Dunning)

Formulierungsbeispiel Methodenteil

Alle DFT-Rechnungen wurden mit dem Programm Gaussian 16 Rev. C.01 durchgefuehrt. Geometrieoptimierungen und Frequenzanalysen erfolgten auf dem B3LYP-D3(BJ)/def2-TZVP-Niveau. Energien wurden auf dem B3LYP-D3(BJ)/def2-QZVP-Niveau als Single-Point-Rechnungen auf den optimierten Geometrien bestimmt. Loesungsmitteleffekte (Dichlormethan) wurden mit dem SMD-Modell (Marenich, Cramer, Truhlar, J. Phys. Chem. B 2009, 113, 6378) beruecksichtigt. Alle stationaeren Punkte wurden durch Frequenzanalyse charakterisiert: Minima zeigen keine imaginaeren Frequenzen, Uebergangszustaende genau eine.

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Funktionalwahl mit Benchmark-Referenz, Basissatzprotokoll mit Single-Point-Korrektur, Dispersionskorrektur als Standard und nicht als Ausnahme – so sieht ein Computational-Methodenteil aus, der Gutachter überzeugt. Und so arbeiten die theoretischen Chemiker in unserem Team.

3. Geometrieoptimierung & Frequenzanalyse

Geometrieoptimierung

Findet die energetisch guenstigste Struktur (lokales Minimum auf der Potentialenergieflaeche). In der Thesis dokumentieren: Funktional/Basissatz, Konvergenzkriterien (Energie, Gradient, Verschiebung), ob Symmetriebeschraenkungen verwendet wurden, Startgeometrie (woher?).

Konvergenz pruefen: Ist die Optimierung konvergiert? Maximale Anzahl Iterationen erreicht?
Mehrere Konformere: Haben Sie verschiedene Startgeometrien getestet? Das globale Minimum finden erfordert Konformationssuche.
Loesungsmittel: Wurde ein implizites Loesungsmittelmodell (PCM, SMD, COSMO) verwendet?

Frequenzanalyse

Berechnet die Schwingungsfrequenzen und bestaetigt die Natur des stationaeren Punktes. In der Thesis ist die Frequenzanalyse Pflicht fuer jeden optimierten stationaeren Punkt.

Minimum: Keine imaginaeren Frequenzen (alle positiv)
Uebergangszustand: Genau eine imaginaere Frequenz (entlang der Reaktionskoordinate)
Thermochemie: Frequenzanalyse liefert ZPE (Zero-Point Energy), ΔH, ΔG bei 298.15 K und 1 atm
IR-Vorhersage: Berechnete Frequenzen mit Skalierungsfaktor multiplizieren (z.B. 0.967 fuer B3LYP/6-311+G(d,p))

4. Uebergangszustaende & Energieprofile

Die Berechnung von Uebergangszustaenden (TS) und Reaktionsprofilen ist die Koenigsdisziplin der Computational Chemistry in der organischen und anorganischen Chemie. Ein korrekt berechneter Uebergangszustand erklaert die Selektivitaet einer Reaktion und stuetzt den vorgeschlagenen Mechanismus.

Uebergangszustand-Suche: Workflow

1. Startstruktur: Manuelle Konstruktion (Bindung auf Halbweg zwischen Edukt und Produkt) oder QST2/QST3-Methode (Gaussian) bzw. NEB (ORCA, VASP)
2. TS-Optimierung: Opt=(TS, CalcFC) oder Opt=(TS, CalcAll) in Gaussian. Bergling/OptTS in ORCA
3. Frequenzanalyse: Genau eine imaginaere Frequenz? Visualisieren: Zeigt die Schwingung entlang der erwarteten Reaktionskoordinate?
4. IRC (Intrinsic Reaction Coordinate): Bestaetigt, dass der TS Edukt und Produkt verbindet. In beide Richtungen berechnen (forward/reverse)
5. Energieprofil: Relative Energien (ΔG) aller stationaeren Punkte (Edukte, Intermediate, TS, Produkte) als Diagramm darstellen

TS-Suche, IRC-Bestätigung, ΔG-Korrektur mit quasiharmonischen Näherungen und CYLview-Darstellung der Energieprofile – dieser vollständige Workflow ist für unsere theoretischen Chemiker Tagesgeschäft, nicht Sonderprojekt.

Energieprofil in der Thesis darstellen

Das Energieprofil (Reaktionskoordinate vs. freie Enthalpie ΔG) ist die zentrale Abbildung einer mechanistischen Studie. X-Achse: Reaktionskoordinate (qualitativ, mit Strukturbezeichnungen). Y-Achse: Relative freie Enthalpie in kcal/mol oder kJ/mol (Edukte = 0). Jeder stationaere Punkt wird als horizontale Linie dargestellt, verbunden durch gestrichelte Linien ueber die Uebergangszustaende. Strukturen als Miniaturen neben den Energieniveaus zeigen. Software: Origin, Matplotlib, oder spezialisiert: GoodVibes (fuer quasiharmonische Korrekturen). Darstellungs-Details im Abbildungen-Guide.

ΔE vs. ΔH vs. ΔG – was angeben?

Gutachter erwarten ΔG (freie Enthalpie) bei 298.15 K fuer Reaktionen in Loesung – nicht ΔE (elektronische Energie ohne thermische Korrekturen). ΔE allein ueberschaetzt Barrieren und ignoriert entropische Beitraege. Protokoll: Geometrieoptimierung + Frequenzanalyse (liefert thermische Korrekturen) → ΔG = ΔE + ΔZPE + ΔH_therm - TΔS. Bei Loesungsmittelrechnungen: SMD- oder PCM-Korrektur auf Gasphase-Thermochemie aufaddieren.

5. Molecular Dynamics (MD) in der Thesis

Molecular Dynamics simuliert die zeitliche Entwicklung eines molekularen Systems unter dem Einfluss eines Kraftfelds. In der Thesis kommt MD bei Proteinen, Loesungsmitteleffekten, Materialien und Festkoerpern zum Einsatz.

Pflichtangaben fuer MD im Methodenteil

Software: GROMACS, AMBER, NAMD, LAMMPS, VASP (fuer AIMD)
Kraftfeld: Name und Version (z.B. AMBER ff14SB, CHARMM36m, OPLS-AA, GAFF2)
System: Anzahl Atome, Box-Groesse, Loesungsmittelmodell (TIP3P, SPC/E), Gegenionen
Equilibrierung: NVT- und NPT-Phasen mit Dauer, Thermostat (Nose-Hoover, Berendsen), Barostat
Produktionslauf: Dauer (ns, μs), Zeitschritt (typisch 2 fs mit SHAKE/LINCS-Constraints), Temperatur, Druck
Langreichweitige Wechselwirkungen: PME (Particle Mesh Ewald) fuer Elektrostatik, Cutoff fuer van-der-Waals
Analyse: RMSD, RMSF, Radiale Verteilungsfunktion, freie Energie (Umbrella Sampling, Metadynamics)

Klassische MD

Kraftfeldbasiert: Atome als klassische Teilchen, keine Elektronen. Schnell (Mikrosekunden-Zeitskala), grosse Systeme (Millionen Atome). Limitierung: Keine Bindungsbrueche, keine Reaktionen.

Thesis-Einsatz: Protein-Ligand-Interaktionen, Membranen, Polymerdynamik, Kristallkeimbildung.

Ab-initio MD (AIMD / Born-Oppenheimer MD)

DFT-basiert: Kraefte aus quantenchemischer Rechnung bei jedem Zeitschritt. Langsam (Pikosekunden), kleine Systeme. Kann Bindungsbrueche und Reaktionen simulieren.

Thesis-Einsatz: Reaktionsdynamik, Protonentransfer, Wasser an Oberflaechen, Katalyse.

6. Software & Dokumentation

Software	Methoden	Lizenz	Typischer Einsatz
Gaussian 16	DFT, HF, MP2, CCSD(T), TD-DFT	Kommerziell (Campuslizenz)	Standard fuer Molekuel-DFT, Organische Chemie
ORCA 5	DFT, DLPNO-CCSD(T), CASSCF, TD-DFT	Kostenlos (akademisch)	Alternative zu Gaussian, stark bei Uebergangsmetallen
VASP	Periodische DFT (PAW, Plane-Wave)	Kommerziell	Festkoerper, Oberflaechen, Materialien
Quantum ESPRESSO	Periodische DFT (Plane-Wave)	Open Source	Festkoerper, AIMD (kostenlose Alternative zu VASP)
TURBOMOLE	DFT, RI-Approximation, TDDFT	Kommerziell	Grosse Molekuele (effiziente RI-Methoden)
GROMACS	Klassische MD	Open Source	Biomolekulare Simulationen, Polymere
AMBER	Klassische MD	Kommerziell	Protein-Ligand, Pharma

Dokumentation: Was in den Methodenteil gehoert

Checkliste Computational-Methodenteil

Software: Name, Version, Revisionsnummer (z.B. Gaussian 16, Rev. C.01)
Methode: Funktional, Basissatz, Dispersionskorrektur (z.B. B3LYP-D3(BJ)/def2-TZVP)
Loesungsmittelmodell: PCM, SMD oder COSMO mit Loesungsmittel und ε
Konvergenzkriterien: Opt=tight, Int=UltraFine (oder aequivalent)
Frequenzanalyse: Durchgefuehrt? Skalierungsfaktor fuer IR-Vergleich?
Fuer TS: Suchmethode (QST2, NEB), IRC bestaetigt?
Thermochemie: Temperatur, Druck, quasiharmonische Korrekturen?
Rechenressourcen: Cluster/HPC-System, Anzahl Kerne, Rechenzeit (optional, aber gute Praxis)
Visualisierung: Software fuer Strukturdarstellung (GaussView, Avogadro, CYLview, PyMOL)

Koordinaten im Anhang

Gutachter und Reviewer erwarten zunehmend, dass kartesische Koordinaten (XYZ) aller optimierten Strukturen im Anhang oder als Supporting Information verfuegbar sind. In der Dissertation: Entweder als Tabelle im Anhang oder als elektronisches Supplement (ZIP-Datei mit .xyz- oder .log-Dateien).

7. Haeufige Fehler bei Computational Chemistry in der Thesis

Funktionalwahl nicht begruendet

B3LYP wird verwendet, weil es „ueblich" ist – ohne Begruendung, warum es fuer die spezifische Fragestellung geeignet ist. Verweisen Sie auf Benchmark-Studien, die zeigen, dass das gewaehlte Funktional fuer Ihre Reaktionsklasse gute Ergebnisse liefert.

Keine Dispersionskorrektur

B3LYP ohne D3-Korrektur fuer Systeme mit nichtkovalenten Wechselwirkungen. Seit Grimme (2010) gibt es keinen Grund mehr, auf Dispersionskorrektur zu verzichten – der Rechenaufwand ist minimal.

Keine Frequenzanalyse

Geometrie wird optimiert, aber die Frequenzanalyse fehlt. Ohne Frequenzanalyse koennen Sie nicht zeigen, ob die Struktur ein Minimum oder ein Sattelpunkt ist. Gutachter erkennen das sofort.

ΔE statt ΔG berichtet

Elektronische Energien (ΔE) werden als Reaktionsenergien praesentiert. Fuer Vergleich mit Experiment: ΔG (freie Enthalpie bei 298 K) verwenden. ΔE ignoriert Zero-Point-Energy und entropische Beitraege.

Zu kleiner Basissatz fuer Energien

6-31G(d) fuer Energien – das ist ein Geometrie-Basissatz. Fuer zuverlaessige Energien mindestens Triple-Zeta (def2-TZVP oder 6-311+G(d,p)). Besser: Single-Point-Energie mit groesserem Basissatz auf optimierter Geometrie.

TS ohne IRC-Bestaetigung

Ein Uebergangszustand wird gefunden, aber der IRC (Intrinsic Reaction Coordinate) wird nicht berechnet. Ohne IRC koennen Sie nicht beweisen, dass der TS die richtigen Edukte und Produkte verbindet.

Haeufig gestellte Fragen zu Computational Chemistry in der Thesis

Welches Funktional soll ich verwenden?

Das haengt von der Fragestellung ab. Organische Reaktionsmechanismen: ωB97X-D oder M06-2X (gute Barrieren und nichtkovalente Wechselwirkungen). Geometrien und Thermochemie: B3LYP-D3(BJ) (breit validiert, kostenguenstig). Uebergangsmetalle: BP86, TPSS oder TPSSh (gute Spinzustaende). Festkoerper: PBE oder PBE-D3(BJ). Hochgenaue Energien: DLPNO-CCSD(T) (goldener Standard, verfuegbar in ORCA). Regel: Begruenden Sie Ihre Wahl mit einem Literaturverweis auf eine Benchmark-Studie fuer Ihre Reaktionsklasse.

Kann ich eine rein theoretische Bachelorarbeit schreiben?

Grundsaetzlich ja, aber es haengt von der Universitaet und dem Betreuer ab. Bachelorarbeiten in Computational Chemistry sind moeglich, aber seltener als experimentelle Arbeiten. Typische Themen: DFT-Studie eines Reaktionsmechanismus, Konformationsanalyse eines Naturstoffs, Benchmark-Vergleich von Funktionalen. Der Vorteil: Keine Laborzeit, alle Ergebnisse reproduzierbar. Der Nachteil: Der Methodenteil muss sehr detailliert sein, und die Interpretation erfordert ein solides theoretisches Verstaendnis. In der Masterarbeit und Dissertation ist Computational Chemistry ein etablierter Schwerpunkt.

Wie gehe ich mit Loesungsmitteleffekten um?

Drei Ansaetze: (1) Implizites Loesungsmittelmodell (PCM, SMD, COSMO): Loesungsmittel als Kontinuum mit Dielektrizitaetskonstante ε. Einfach, kostenguenstig, Standard fuer die meisten Thesis-Arbeiten. SMD (Marenich, Cramer, Truhlar) ist derzeit das empfohlene Modell. (2) Explizites Loesungsmittel: Einige Loesungsmittelmolekuele werden in die Berechnung einbezogen (z.B. Wasserstoffbrueckenbindungen). Aufwendiger, aber noetig bei starker spezifischer Solvatation. (3) Hybrid: Explizite erste Solvathuelle + implizites Modell fuer den Rest. In der Thesis: Mindestens ein implizites Modell verwenden. Begruenden, welches Modell und welches Loesungsmittel (ε-Wert angeben).

Wie bestaetge ich einen Uebergangszustand?

Drei Schritte: (1) Frequenzanalyse: Genau eine imaginaere Frequenz. (2) Visualisierung: Die imaginaere Schwingung muss entlang der erwarteten Reaktionskoordinate verlaufen (z.B. Bindungsbruch/-bildung). Nutzen Sie GaussView, Avogadro oder Molden zur Visualisierung. (3) IRC: Intrinsic Reaction Coordinate in beide Richtungen (forward und reverse) berechnen. Der IRC muss zu den erwarteten Edukten und Produkten fuehren. Erst wenn alle drei Kriterien erfuellt sind, ist der TS bestaetigt. In der Thesis: Alle drei Kriterien dokumentieren.

Gaussian oder ORCA – welche Software soll ich nutzen?

Gaussian 16 ist der historische Standard – breit validiert, riesige Nutzerbasis, exzellente Dokumentation. Nachteil: teuer (Campuslizenz noetig). ORCA 5 ist kostenlos fuer Akademiker und in vielen Bereichen gleichwertig oder ueberlegen: bessere Uebergangsmetall-Methoden (DLPNO-CCSD(T)), effizientere Algorithmen (RI-Approximation), aktive Weiterentwicklung. Fuer periodische Rechnungen: VASP (kommerziell) oder Quantum ESPRESSO (Open Source). Fuer MD: GROMACS (Open Source) oder AMBER. Empfehlung: Verwenden Sie, was an Ihrem Lehrstuhl Standard ist – das erleichtert den Support.

Wie stelle ich berechnete Strukturen in der Thesis dar?

Molekuele: GaussView, CYLview (speziell fuer Reaktionsmechanismen, kostenlos), Avogadro (Open Source), PyMOL (Proteine). Fuer Publikationsqualitaet: CYLview erzeugt Raytracing-Bilder direkt. Energieprofile: Origin oder Matplotlib (Python). Horizontale Linien fuer stationaere Punkte, gestrichelte Linien fuer TS-Verbindungen, Miniaturstrukturen neben den Niveaus. Orbitale: GaussView oder Avogadro fuer HOMO/LUMO, Elektrostatisches Potential (ESP). Kristallstrukturen (periodisch): VESTA (kostenlos, Standard fuer Festkoerperchemie). Details im Abbildungen-Guide.

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