02.09.2019

Supercomputer ermöglichen neue Chemie

Leticia González und ihre Forschungsgruppe modellieren, wie sich Moleküle bei chemischen Reaktionen verhalten. Dafür braucht das neue Mitglied der ÖAW kein Labor sondern einen leistungsfähigen Computer.

©ÖAW

Dem klassischen Klischee einer Chemikerin entspricht Leticia González nicht. Denn sie arbeitet nicht mit Reagenzgläsern, sondern mit Hochleistungsrechnern. Mit ihrem Team an der Universität Wien erforscht das neue Mitglied der Österreichischen Akademie der Wissenschaften (ÖAW), wie sich Moleküle verhalten, wenn sie angeregt werden. Dafür braucht die theoretische Chemikerin kein Labor. Sie modelliert ihre Moleküle auf einem Computer. Die zeitliche Auflösung bewegt sich dabei im Bereich von Femtosekunden. “Die Atomkerne bewegen sich etwa auf dieser Skala. Die Elektronen sind sogar noch deutlich schneller”, erklärt González.

Um diese ultraschnellen Prozesse überhaupt darstellen zu können, müssen Billiarden von Bildern für jede Sekunde des untersuchten Prozesses errechnet werden. Das geht nicht mit einem handelsüblichen Computer. “Wir haben einen eigenen Hochleistungscomputer und nutzen zusätzlich auch den Vienna Scientific Cluster”, sagt González. Anhand der Computermodelle wird untersucht, was passiert, wenn Moleküle mit Licht angeregt werden. “Das Molekül ist dann nicht mehr im Gleichgewicht. Uns interessiert, welche Zustände eingenommen werden und wie sich das System nach der Anregung entwickelt. Dazu müssen wir sowohl klassische Mechanik als auch Quantenwechselwirkungen berücksichtigen”, erklärt die Chemikerin.

Nie genug Leistung

Vor allem bei der Berechnung der Elektronenkonfigurationen und deren Entwicklung ist die benötigte Rechenkraft enorm. Vor wenigen Jahren wären Simulationen mit dem heutigen Detailgrad noch unmöglich gewesen. “Wir nutzen praktisch immer die gesamte zur Verfügung stehende Rechenleistung aus. Die Entwicklung von modernen Supercomputern war für die theoretische Chemie ein riesiger Schritt nach vorne. Meine Diplomarbeit, die damals viel Rechenleistung benötigt hat, könnte ich heute wahrscheinlich sogar mit einem modernen Smartphone berechnen. Das zeigt, wie schnell sich die Technik entwickelt hat”, sagt González.

Die Entwicklung von modernen Supercomputern war für die theoretische Chemie ein riesiger Schritt nach vorne.

Trotz der ständig wachsenden Rechenleistung bleibt die Technologie ein Flaschenhals für die theoretische Chemie. Je höher die Anzahl der zu berücksichtigenden Atome, desto aufwändiger die Berechnung. “Wir können heute nicht für 300 Kerne genaue Modelle errechnen. Auch die Zeit ist limitiert. Je mehr Power wir haben, desto größer die Zahl der Freiheitsgrade, die wir simulieren können und desto länger auch die Zeitspanne, die wir darstellen können”, sagt González. Die benötigte Rechenleistung steigt aber nicht linear sondern exponentiell. Hier könnten Quantencomputer in Zukunft einen Durchbruch erlauben.

Quantenhoffnung

“Das Potenzial von Quantencomputern für die Quantenchemie ist enorm, aber hier steht die Forschung noch am Anfang. Bislang gibt es bis auf einige Machbarkeitsstudien nicht viele Publikationen. Das liegt auch daran, dass sehr viele Qbits notwendig sind, um unsere Systeme adäquat zu beschreiben. Für die Zukunft ist das aber die Hoffnung”, sagt González. Bis entsprechende Quantenrechner verfügbar sind, setzen die theoretischen Chemiker auf schrittweise, kleine Verbesserungen, die auch mit herkömmlichen Methoden möglich sind. Dabei wollen die Forscher/innen nicht nur modellieren, wie sich bestimmte Moleküle verhalten, sondern auch verstehen, warum das so ist. “Wir arbeiten auch eng mit den Experimentatoren zusammen. Zum Beispiel im Bereich der Photovoltaik. Hier wollen wir verstehen, was ein gutes Material ausmacht und wie wir das dann auch praktisch umsetzen können”, sagt González. Auf dieser Basis können dann verschiedene Materialien modelliert werden, die vielversprechendsten werden dann als Vorschläge an die Experimentatoren weitergegeben.

Das Potenzial von Quantencomputern für die Quantenchemie ist enorm, aber hier steht die Forschung noch am Anfang.

“Die Theorie ist so komplex, dass es immer Millionen von Möglichkeiten gibt. Da brauchen wir die Experimente, um zu sehen, in welcher Richtung sich das Suchen lohnen könnte”, sagt González. Die Entwicklungen in Theorie und Praxis verlaufen dadurch meist auch im Gleichschritt. “Seit 1998 der Nobelpreis für die Femtochemie verliehen wurde, geht das eigentlich schön Hand in Hand”, sagt González. Mittlerweile können sogar Vorgänge im Attosekundenbereich simuliert werden. Das erlaubt auch die Berücksichtigung von elektronendynamischen Kopplungen mit dem Kern. Solche Modelle sind aber noch rechenintensiver und damit auch teuer.

Maßgeschneiderte Reaktionen

Das Modellieren von einfacheren chemischen Reaktionen funktioniert heute bereits in Echtzeit, wenn die grundlegenden Prozesse verstanden sind. Mit simuliertem Laserlicht lassen sich die Reaktionen im Modell dann sogar gezielt steuern, etwa indem bestimmte Bindungen aufgebrochen werden. Einfache Reaktionen lassen sich mit gezielten Laserpulsen auch in der Praxis schon steuern. Das gilt etwa für das gezielte Aufbrechen von Bindungen im Molekül oder die Isomerisierung, bei der das Molekül durch Laserlicht gedreht wird. Solche ultrakurzen Lichtblitze können in einer Reaktionskette nach einigen Sekunden nützliche Wirkungen haben.

Das Modellieren von einfacheren chemischen Reaktionen funktioniert heute bereits in Echtzeit.

Das kann zum Beispiel in der Photovoltaik genutzt werden, um Materialien zu finden, die eine bessere Steuerung der Elektronen ermöglichen. Auch in der Pharmakologie ist das Potenzial für entsprechende Prozesse groß. “Die Pharmaindustrie arbeitet heute aber noch wenig mit Licht. Einige Forschungsergebnisse gibt es aber auch in diesem Bereich bereits”, sagt González.

 

AUF EINEN BLICK

Leticia González ist Vorständin des Instituts für Theoretische Chemie der Universität Wien. Die gebürtige Spanierin studierte an der Universidad Autónoma de Madrid und habilitierte sich an der Freien Universität Berlin. Nacheiner Professur an der Friedrich-Schiller-Universität Jena wurde sie 2007 an der Universität Wien berufen. Seit 2019 ist sie korrespondierendes Mitglied der ÖAW.

Die Mitglieder der ÖAW