TU Wien’de teorik kimyada bir bilmece çözüldü: Yeni bir hesaplama yöntemi artık büyük moleküller arasındaki kuvvetlerin benzeri görülmemiş bir doğrulukla hesaplanmasını mümkün kılıyor.
Gekolar neden duvarlardan yukarı yürüyebilir? Azot neden –196°C’de sıvı hale gelir? Gündelik olayların çoğu van der Waals kuvvetleriyle, yani moleküller arasındaki zayıf bağların hesaplanmasının oldukça zor olmasıyla açıklanabilir. Bilim insanları yıllardır farklı hesaplama yöntemlerinin çelişkili sonuçlar ürettiği gerçeğiyle mücadele ediyor.
Şimdi TU Wien’deki araştırmacılar bu tutarsızlığı çözdü ve bir çözüm buldu. İronik bir şekilde, hatanın kaynağının uzun süredir kuantum kimyasının “altın standardı” olarak kabul edilen yöntemin kendisi olduğu ortaya çıktı: belirli moleküler bağlarda bulunan enerjiyi sistematik olarak olduğundan fazla tahmin ediyor.
Geliştirilmiş bir varyantla, TU Wien ekibi artık büyük moleküllerin davranışını doğru bir şekilde tahmin edebiliyor; bu, biyolojik sistemleri anlamak ve yenilenebilir enerji teknolojilerini ilerletmek için önemli bir adım. Çalışma şurada yayınlandı: Doğa İletişimi.
Kimyanın bir gizemi
Yeni çalışmanın ilk yazarları Tobias Schäfer ve Andreas Irmler, “Büyük moleküller arasındaki bağları tanımlamak için bilim insanları farklı hesaplamalı yaklaşımlar kullanıyor” diye açıklıyor. Alejandro Gallo ve araştırma grubu lideri Prof. Andreas Grüneis ile birlikte en yaygın kullanılan yöntemleri karşılaştırdılar.
Schäfer, “Seçeneklerden biri kuantum Monte Carlo simülasyonlarını kullanmaktır” diyor. Irmler şunu ekliyor: “Burada bilgisayar, elektronların sayısız olası düzenlemesini araştırıyor; enerji açısından olumlu olanları saklıyor ve olumsuz olanları atıyor. Diğer bir seçenek ise eşleşmiş küme yaklaşımıdır.” diye ekliyor Irmler. “Bu durumda, moleküller düşük enerji durumlarında işlenir ve daha sonra bir tür düzeltme olarak daha yüksek enerji konfigürasyonları eklenir.”
Schäfer, “Bu birleşik kümeleme yöntemi uzun süredir altın standart olarak görülüyor” diyor. “Fakat daha yakından baktıkça, Monte Carlo sonuçlarıyla karşılaştırıldığında küçük ama kalıcı sapmalar olduğu daha net ortaya çıktı ve yıllarca bunun nedenini kimse bilmiyordu.”
Şimdi TU Wien ekibi cevabı buldu: “Birleşik kümeleme yönteminin, büyük, yüksek derecede polarize edilebilir moleküllerdeki bağlanma enerjilerini sistematik olarak olduğundan fazla tahmin ettiğini keşfettik” diye açıklıyor Irmler. “Geliştirilmiş değişkenimiz, hesaplama maliyetini önemli ölçüde artırmadan bu sapmayı düzeltiyor.” Bu düzeltmeyle birlikte sonuçlar artık kuantum Monte Carlo verileriyle çok daha uyumlu hale geliyor.
Büyük moleküller – büyük önem
Bu ilerleme özellikle büyük moleküler sistemler için çok önemlidir. Gallo, “Yüz atoma kadar içeren molekülleri tanımlamak isterseniz, hesaplama çabası çok büyük olur” diyor. “Dünyanın en büyük süper bilgisayarları bile sınırlarına ulaşıyor. Güvenilir tahminler elde etmek için son derece karmaşık yaklaşım yöntemlerine ihtiyacımız var.”
Malzeme araştırmalarından farmasötik geliştirmeye kadar çeşitli alanlarda büyük moleküller giderek daha önemli hale geliyor. Schäfer, “Bir ilacın bir tabletin içinde nasıl kristalleştiğini veya bir malzemenin enerji depolamak için hidrojene ne kadar güçlü bağlandığını anlamak istiyorsak, van der Waals kuvvetlerini doğru bir şekilde modellememiz gerekiyor” diyor.
Temel teoriden pratik uygulamalara
Yeni yöntem, yalnızca geleneksel simülasyonlar için değil, aynı zamanda yapay zeka modelleri için eğitim verileri olarak da daha güvenilir referans verileri sağlıyor. Bu tür modeller halihazırda sanal ortamlarda yeni malzeme ve farmasötik ürünler tasarlamak için kullanılıyor.
TU Wien Teorik Fizik Enstitüsü’nden Prof. Grüneis, “En yüksek doğruluk ve pratik kullanılabilirlik arasında bir köprü inşa ediyoruz” diyor. “Bu, malzeme bilimi için yeni olasılıkların önünü açıyor. Sonuçlarımız, modern araştırmaların artan taleplerine ayak uydurmak için köklü yöntemlerin bile sürekli olarak yeniden incelenmesi gerektiğini gösteriyor.”
