Kjemilab i datamaskinen

Forskere ved Kjemisk institutt har utviklet programvare som gjør det mulig å simulere kvantekjemiske reaksjoner. Programvaren brukes nå av mer enn tusen universiteter og forskningsinstitusjoner over hele verden.

PEKEPINN: – Ved hjelp av simuleringer kan vi peke ut de mest lovende retningene i eksperimenter, forteller professor Trygve Helgaker ved Kjemisk institutt.

Hver femte kjemiker på Kjemisk institutt bruker datamaskinen daglig til kvantekjemi, et raskt voksende forskningsfelt der kjemikerne kan bygge opp virtuelle kjemiske systemer på datamaskinen for å simulere hvordan elektronene oppfører seg i et molekyl.

- Vi gjør beregninger som kan analysere fenomener på andre måter enn eksperimenter. Eksperimenter kan være kostbare. Ved hjelp av simuleringene kan vi peke ut de mest lovende retningene i eksperimenter. Simuleringene kan også hjelpe oss til å tolke eksperimentelle observasjoner, forteller professor Trygve Helgaker ved Kjemisk institutt.

For 20 år siden skrev han det første programmet. Da var det mulig å beregne kvantekjemiske systemer med opp til ti atomer. Takket være forbedrete teknikker og raskere datamaskiner kan man i dag simulere opp til 1000 atomer. Om noen år vil grensen være over 10 000 atomer. Da blir metoden interessant for den kjemiske industrien. Men allerede i dag anvendes den i legemiddelindustrien og for utvikling av nanoteknologiske systemer.

- Nå utvikler vi metodene for å kunne behandle større systemer og med høyere nøyaktighet. Målet vårt er at resultatet skal bli like nøyaktig eller enda mer nøyaktig enn eksperimentell kjemi.

Milliarder ukjente

Beregningene er tunge. De tyngste kan ta en måneds tid. De vanligste strekker seg over flere dager. I de største simuleringene bestemmes noen milliarder ukjente variabler. 100 millioner ukjente er ikke uvanlig.

Når programmet har beregnet elektrontettheten, kan egenskapene til molekylet bestemmes. Man kan for eksempel finne ut hvor mye stråling et molekyl tåler. Problemet er ikke uaktuelt. Når mennesket utsettes for stråling, kan fotoner bryte bindinger i kroppen og endre arvestoffet. Selv om det bare skjer endring på ett sted i molekylet, må forskerne simulere hele systemet ettersom alle elektronene påvirker hverandre gjensidig hele tiden. For høy nøyaktighet må man vanligvis også ta hensyn til relativitetsteorien. - Tyngre atomer har kjerne med stor ladning. Ettersom elektronene nær slike kjerner beveger seg opp mot lysets hastighet, må vi bruke relativitetsteorien for at beskrivelsen skal bli riktig. Dette gjør beregningene mer komplekse.

Selv med moderne datamaskiner må kjemikerne ofte forenkle molekylene, det vil si at systemene må barberes ned til modellsystemer før de kan studeres. Grunnen er at kostnadene øker dramatisk med systemets størrelse, særlig for nøyaktige beregninger. Slike beregninger kan ta over hundre ganger lengre regnetid hvis systemet blir dobbelt så stort.

- Målet vårt er lineær økning av kostnadene. Vi ønsker at en simulering av et dobbelt så stort molekyl bare skal bli dobbelt så dyrt. For å komme dit, forenkler vi beskrivelsen når elektronene befinner seg langt fra hverandre, uten at dette påvirker resultatets nøyaktighet.

Verdenskjent

Bak programvaren på over 700 000 linjer står fem hovedutviklere. Professor Trygve Helgaker har vært med fra starten i 1983. Nå har mer enn tusen forskningsinstitusjoner og universiteter over hele kloden tatt programvaren i bruk. - Vi ligger helt på front i store høynøyaktighetsberegninger. Skandinavia står spesielt sterkt. Kjemisk institutt var ett av de første ved Universitetet i Oslo som tok i bruk simuleringer. I en periode var instituttet landets største regnemaskinbruker. Vanlige kjemikere må ha nøyaktige tall. Vi er derfor ikke redde for å bruke mye krutt, sier Trygve Helgaker.

Selv om programmet er svært avansert, har de ikke valgt et moderne objektorientert programmeringsspråk, men de gamle, tunge traverne Fortran og C. Vi har vært pragmatiske i valg av språk. Vi vurderer å erstatte spesialiserte deler av programvaren med høynivåspråk, men det å skrive om slik programvare gir ikke direkte vitenskapelig uttelling, forklarer kjemiprofessoren.

Les også: Kjemilab i datamaskinen

Emneord: Matematikk og naturvitenskap, Fysikk, Teoretisk kjemi, kvantekjemi, Informasjons- og kommunikasjonsvitenskap, Simulering, visualisering, signalbehandling, bildeanalyse, Kjemi Av Yngve Vogt
Publisert 1. feb. 2012 12:02
Legg til kommentar

Logg inn for å kommentere

Ikke UiO- eller Feide-bruker?
Opprett en WebID-bruker for å kommentere