Berechnungen sind ein zentrales Werkzeug zur quantitativen Beschreibung, Vorhersage und Optimierung von Werkstoffeigenschaften über alle Längenskalen hinweg. Sie umfassen numerische, analytische und symbolische Verfahren, die auf physikalischen Modellen und empirischen Datensätzen basieren.

Klassen von Berechnungen: Auf der elektronischen Skala stehen ab-initio- bzw. Erstprinzipien-Berechnungen (z. B. DFT, GW) im Vordergrund, mit denen elektronische Struktur, Bindungsverhältnisse, Defektenergien und Reaktionspfade bestimmt werden. Auf der mesoskopischen und makroskopischen Skala kommen Kontinuumsmodelle und Finite-Elemente-Berechnungen zum Einsatz, etwa zur Simulation von Spannungs- und Dehnungsfeldern.

Thermodynamische und kinetische Berechnungen: CalPhaD-Berechnungen erlauben die konsistente Beschreibung komplexer Phasendiagramme auf Basis von Modellparametern und experimentellen Daten. Freie-Energie-Berechnungen sind essenziell für Stabilitätsanalysen von Phasen, Grenzflächen und Defekten und bilden die Grundlage für Phasenfeldmodelle und Transformationskinetik.

High-Throughput und Datenintegration: High-Throughput-Berechnungen kombinieren automatisierte Erstprinzipien- und thermodynamische Berechnungsprotokolle mit Datenbanken und statistischen Methoden, um große Materialräume systematisch zu durchmustern und Screening-Studien zu ermöglichen.

Insgesamt bilden Berechnungen eine Brücke zwischen Theorie und Experiment, indem sie mechanische, thermische, elektrische und chemische Eigenschaften konsistent aus mikroskopischen Mechanismen ableiten und damit die wissensbasierte Werkstoffentwicklung unterstützen.