Még nem létező kvantummechanikai szimuláció tervével nyert újra az SZTE kutatója

Újabb nagy lépést tervez Czakó Gábor a kémiai reakciók dinamikájának atomi szintű számítógépes modellezésében. A Szegedi Tudományegyetem docense ugyanis újabb öt évre elnyerte az MTA Lendület kutatói pályázatát. Az új Lendület-projektben olyan modellt fejlesztenek, amely a reakcióban részt vevő elektronok mellett a jóval nehezebb atommagok mozgását is kvantummechanikai egyenletekkel tudja leírni.

A Szegedi Tudományegyetem Fizikai Kémiai és Anyagtudományi Tanszék Elméleti Reakciódinamika Kutatócsoportjának vezetője az elmúlt több mint 10 év alatt a reakciódinamikai szimulációk terén a nemzetközi élvonalba került, nevéhez a Nature lapcsaládhoz tartozó Nature Chemistry folyóiratban megjelent három tanulmány is fűződik.

Czakó az SZTE hírportáljának árulta el, hogy az idén lezáruló első MTA Lendület-pályázatában olyan szimulációs módszereket és alkalmazásokat fejlesztett, amelyek többatomos rendszerekben nagy pontossággal írták le a kémiai folyamatokat. A második Lendület-pályázatát egy olyan szimulációs modell tervével nyerte el, amelyben a vizsgált elektronok mellett a rendszerben lévő atommagok mozgásának leírására is a kvantummechanika egyenleteit használják.

„A kvantummechanika születésének 100. évfordulójánál járunk. A probléma az, hogy egy-két nagyon egyszerű rendszert leszámítva nincsen papíron, ceruzával analitikusan megadható megoldásuk. A nagyobb kémiai rendszerekre csak úgy lehet a kvantummechanikát alkalmazni, ha az egyenleteiből algoritmusokat dolgozunk ki, és nagyon sok matematikai művelet végrehajtásával jutunk a nagy pontosságú megoldásokhoz.”

Az SZTE kutatója úgy magyarázta mindezt, mint egy terepasztal, amelyen az elektronok energiaszintje jelenti a domborzatot. A terep valójában az úgynevezett potenciálisenergia-felület, ennek a meredeksége adja meg azokat az erőket, amelyek a klasszikus mechanika szerint az atommagokat mozgatják. A szimulációk azt mutatják meg, hogy ezen a domborzaton melyek a jellemző reakcióutak, milyen termékek képződhetnek és a reakció körülményei hogyan befolyásolják ezt.

Czakó Gáborék ehhez a felülethez alkalmas függvényt találtak, amely matematikailag reprezentálja az elektronmozgást. Ez lett az alapja az első Lendület-pályázatukban fejlesztett szoftvernek. Az atommagok dinamikájának kvantummechanikai szimulálására a kereskedelemben nincs megvásárolható szoftver. Czakóék új fejlesztésükkel olyan pontosságú számítást is el szeretnének végezni, amire a tudományos irodalomban ma még nincs módszer.

A pályázati pénzből az elmúlt 5 évben a kutatás igényeire összerakott számítógépklaszteren is terveznek kisebb bővítést;

a nagyobb rendszerek esetén ugyanis a szoftver futása akár hónapokig is tarthat,

Czakó Gábor pedig arra készül, hogy minél nagyobb rendszerekre tudjanak realisztikus szimulációkat végezni. Kutatócsoportjuk az új Lendület-időszakban szorosabbra vonja majd kapcsolatát az osztrák Innsbrucki Egyetem Ionfizikai és Alkalmazott Fizikai Intézet kísérleti kémiai csoportjával. Az innsbruckiak kísérleti technikával végeznek olyan méréseket, amelyeknek az eredményei szinte közvetlenül összehasonlíthatók Czakóék szimulációival.