Hver femte kjemiker p? Kjemisk institutt bruker datamaskinen daglig til kvantekjemi, et raskt voksende forskningsfelt der kjemikerne kan bygge opp virtuelle kjemiske systemer p? datamaskinen for ? simulere hvordan elektronene oppf?rer seg i et molekyl.
- Vi gj?r beregninger som kan analysere fenomener p? andre m?ter enn eksperimenter. Eksperimenter kan v?re kostbare. Ved hjelp av simuleringene kan vi peke ut de mest lovende retningene i eksperimenter. Simuleringene kan ogs? hjelpe oss til ? tolke eksperimentelle observasjoner, forteller professor Trygve Helgaker ved Kjemisk institutt.
For 20 ?r siden skrev han det f?rste programmet. Da var det mulig ? beregne kvantekjemiske systemer med opp til ti atomer. Takket v?re forbedrete teknikker og raskere datamaskiner kan man i dag simulere opp til 1000 atomer. Om noen ?r vil grensen v?re 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.
- N? utvikler vi metodene for ? kunne behandle st?rre systemer og med h?yere n?yaktighet. M?let v?rt er at resultatet skal bli like n?yaktig eller enda mer n?yaktig enn eksperimentell kjemi.
Milliarder ukjente
Beregningene er tunge. De tyngste kan ta en m?neds tid. De vanligste strekker seg over flere dager. I de st?rste simuleringene bestemmes noen milliarder ukjente variabler. 100 millioner ukjente er ikke uvanlig.
N?r programmet har beregnet elektrontettheten, kan egenskapene til molekylet bestemmes. Man kan for eksempel finne ut hvor mye str?ling et molekyl t?ler. Problemet er ikke uaktuelt. N?r mennesket utsettes for str?ling, kan fotoner bryte bindinger i kroppen og endre arvestoffet. Selv om det bare skjer endring p? ett sted i molekylet, m? forskerne simulere hele systemet ettersom alle elektronene p?virker hverandre gjensidig hele tiden. For h?y n?yaktighet m? man vanligvis ogs? ta hensyn til relativitetsteorien. - Tyngre atomer har kjerne med stor ladning. Ettersom elektronene n?r slike kjerner beveger seg opp mot lysets hastighet, m? vi bruke relativitetsteorien for at beskrivelsen skal bli riktig. Dette gj?r beregningene mer komplekse.
Selv med moderne datamaskiner m? kjemikerne ofte forenkle molekylene, det vil si at systemene m? barberes ned til modellsystemer f?r de kan studeres. Grunnen er at kostnadene ?ker dramatisk med systemets st?rrelse, s?rlig for n?yaktige beregninger. Slike beregninger kan ta over hundre ganger lengre regnetid hvis systemet blir dobbelt s? stort.
- M?let v?rt er line?r ?kning av kostnadene. Vi ?nsker at en simulering av et dobbelt s? stort molekyl bare skal bli dobbelt s? dyrt. For ? komme dit, forenkler vi beskrivelsen n?r elektronene befinner seg langt fra hverandre, uten at dette p?virker resultatets n?yaktighet.
Verdenskjent
Bak programvaren p? over 700 000 linjer st?r fem hovedutviklere. Professor Trygve Helgaker har v?rt med fra starten i 1983. N? har mer enn tusen forskningsinstitusjoner og universiteter over hele kloden tatt programvaren i bruk. - Vi ligger helt p? front i store h?yn?yaktighetsberegninger. Skandinavia st?r spesielt sterkt. Kjemisk institutt var ett av de f?rste ved Universitetet i Oslo som tok i bruk simuleringer. I en periode var instituttet landets st?rste regnemaskinbruker. Vanlige kjemikere m? ha n?yaktige tall. Vi er derfor ikke redde for ? bruke mye krutt, sier Trygve Helgaker.
Selv om programmet er sv?rt avansert, har de ikke valgt et moderne objektorientert programmeringsspr?k, men de gamle, tunge traverne Fortran og C. Vi har v?rt pragmatiske i valg av spr?k. Vi vurderer ? erstatte spesialiserte deler av programvaren med h?yniv?spr?k, men det ? skrive om slik programvare gir ikke direkte vitenskapelig uttelling, forklarer kjemiprofessoren.
Les ogs?: Kjemilab i datamaskinen