Araştırmacı kimyasal süreçlerin olasılıklarını tahmin etmek için yapay zekayı kullanıyor

Kuantum kimyası, hangi kimyasal süreçlerin meydana gelme olasılıklarını hesaplamak için kullanılabilir. Bu, büyük miktarda programlama çalışmasını gerektirir. Bonn Üniversitesi Mulliken Teorik Kimya Merkezi’nden Dr. Michael F. Peintinger, yapay zeka bu amaçla kullanıldığında neler olacağını araştırdı. Çalışmaları dergide yayınlandı Hesaplamalı Kimya Dergisi.

Bütün bunlar neyle ilgili?

Bir maddenin neredeyse tüm özellikleri, elektronlarının nasıl dağıldığına ve nasıl davrandığına bağlıdır: bir malzemenin elektriği iletip iletmediği, bir boyanın rengi, bir kristalin ne kadar kararlı olduğu ve bir reaksiyonun ne kadar hızlı ilerlediği. Buna elektronik yapı denir.

Belirli bir örneğiniz var mı?

Örneğin, bir molekülün katı bir yüzeye (örneğin, bor ve nitrojenden oluşan bir malzeme olan boron nitrürün çok ince bir tabakası üzerindeki su gibi) nasıl adsorbe edildiğiyle ilgileniyorum. Bir su molekülü bu katmanın neresinde oturmayı tercih eder ve buradaki yüzeye ne kadar sıkı yapışır? Bunu bulmak için molekülü modelin farklı yerlerine yerleştirir, farklı yönlere yönlendirir ve enerjileri karşılaştırırdım. En düşük enerjiye sahip düzenleme en uygun olanıdır. Bu tür moleküllerin yüzeylere nasıl adsorbe edildiğini anlamak, katalitik reaksiyonları anlamak için özellikle önemlidir.

Kuantum kimyası nedir?

Kuantum kimyası, kuantum mekaniği yasalarını kimyasal problemlere uygular. Elektronlar sabit yollar boyunca hareket etmezler. Bunun yerine biz kimyacılar bir elektronun belirli bir yerde bulunma olasılığını hesaplıyoruz. Uygulamada denklemler, hidrojen atomu gibi yalnızca tek bir elektron için tam ve analitik olarak çözülebilir. Küçük bir elmas parçasında bile birçok elektron birbirini etkiler. Bu nedenle kimyagerlerin yaklaşık tahminlere ihtiyacı vardır ve hangisinin uygun olduğu eldeki soruya bağlıdır.

Bunu kimyasal reaksiyonları tahmin etmek için kullanabilir misiniz?

Bir dereceye kadar. Belirli bir reaksiyon için ne kadar enerjinin açığa çıktığını veya sağlanması gerektiğini hesaplayabiliriz. Ayrıca olası bir reaksiyon yolunu da takip edebiliriz. Bu süreçte bağlar kopar ve yenileri oluşur ve çoğu durumda öncelikle bir enerji bariyerinin aşılması gerekir. Bu bariyerin yüksekliği reaksiyonun belirli bir sıcaklıkta ne kadar hızlı ilerleyeceğini belirler.

“Bu iki maddeyi karıştırdığınızda ne olur?” daha zordur. Bunu cevaplamak için hangi reaksiyon yollarının birbiriyle rekabet ettiğini, çözücülerin ve sıcaklığın nasıl bir rol oynadığını ve bir katalizörün işin içinde olup olmadığını bilmeniz gerekir. Tek başına bir hesaplama nadiren buna cevap verebilir.

Birçok kuantum kimyası programı vardır. Vibe-qc’deki yenilikler neler?

Bildiğim kadarıyla, Vibe-qc, neredeyse tamamen üretken yapay zeka tarafından geliştirilen türünün ilk programıdır. Yani yeni olan tek bir hesaplama yöntemi değil, çalışma şeklidir. Bir tür dijital programcı olan yapay zeka temsilcilerinin bu büyüklükteki bir programı bilimsel rehberlik altında yazıp test edeceği bir sistem tasarladım ve bunu çok hızlı bir şekilde yapıyorlar: İlk kapsamlı sürüm yaklaşık 10 hafta sonra hazır oldu.

Yapay zekanın yapması gerekeni yapmasını nasıl sağlıyorsunuz?

Her öneriyi gözden geçirmem gerekiyor. İlk gün asistan, tüm elektronları çift olarak ele alan bir yöntem kullanarak bir lityum atomunu hesaplamak istedi. Ancak lityumun üç elektronu vardır, dolayısıyla biri eşleşmeden kalır. Bu kulağa mantıklı geliyordu ama sadece sayarak bunun yanlış olduğunu görmek kolaydı. Sonuçlar bağımsız olarak geliştirilen bir programın sonuçlarıyla karşılaştırılana kadar diğer hatalar fark edilmedi. Bu nedenle Vibe-qc’deki bir yöntem ancak bu tür karşılaştırmalara dayanabildiğinde kullanıma hazır kabul edilir.

Hesaplama gerçeğe ne kadar yakın?

Bir hesaplamanın doğayı ne kadar iyi tanımladığı aynı zamanda modelin gerçekliği ne kadar basitleştirdiğine de bağlıdır. Bu, bir kimyasal reaksiyonun başlaması için ne kadar enerjiye ihtiyaç duyulduğu düşünüldüğünde açıkça ortaya çıktı. Burada basitleştirilmiş modelden elde edilen sonuçlar, daha karmaşık hesaplamalardan ortalama olarak önemli ölçüde saptı. Her iki sonuç seti de bilgisayardan geldi. Bir tahminin gerçeğe ne kadar yakın olduğunu doğrulamak için laboratuvarda ölçülen değerlere ihtiyacım var.

Sizce en önemli sonuç nedir?

Benim için en önemli sonuç bu yaklaşımın işe yaramasıdır. Sadece birkaç ay içinde Vibe-qc, moleküller ve kristaller için genel amaçlı bir program haline geldi. Hızlı yaklaşımlardan çok karmaşık ve kesin yöntemlere kadar birçok yaygın hesaplama yöntemini destekler.

Günümüzde bu ölçekte bir programı sıfırdan yazmak yerine tek bir araştırmacı çalıştırabilmektedir. vibe-qc ve ilgili programlar açık kaynaktır. Kaynak kodu kamuya açıktır ve herkes Mozilla Kamu Lisansı kapsamında onu kullanmakta, değiştirmekte ve dağıtmakta özgürdür.

En büyük zorluk neydi?

Bir program herhangi bir hata mesajı olmadan çalışabilir ve ikna edici görünen bir sayı üretebilir. İkinci bir program farklı bir sayı verdiğinde zorlaşır. Örneğin karşılaştırmalı bir hesaplamada, iki program atomların iç elektronlarını farklı şekilde ele almış ve bu nedenle aynı elektronları hesaplamaya dahil etmemiştir. Her iki sayı da doğruydu ancak farklı sorularla ilgiliydi. Böyle bir şeyi açıklığa kavuşturmak için temeldeki fiziksel varsayımlara geri dönmeniz gerekir.

Zaten bir başvuru var mı?

Şu ana kadar yayınlanan hesaplamalar öncelikle test görevi gördü. Örneğin elmas için, kristaldeki elektronların alabileceği enerjileri hesapladım ve seçilen bir durum için, dolu durumdan serbest duruma enerji sıçramasının büyüklüğünü inceledim. Farklı bir program kullanılarak yapılan bağımsız bir hesaplama neredeyse aynı değeri verdi.