Op schattenjacht door de chemische ruimte met een zoekalgoritme als GPS

'Ik vind mijn sleutels niet. Weet jij nog waar ik ze heb gelegd?' Mijn vriend rolt met zijn ogen en slaakt een diepe zucht, want ja, ik stelde die vraag gisteren en eergisteren ook al. 'In je jas? In je rugzak? Aan de buitenkant van de deur?' Hij begint alle plekken op te sommen waar we mijn sleutels ooit al hebben teruggevonden. Stap voor stap zoeken we op elke plek en we halen ons volledig appartement ondersteboven. Een halfuur later roept mijn vriend plots: 'Gevonden, ze lagen achter de zetel.' Eindelijk kan ik met een gerust hart naar mijn werk vertrekken, maar daar wacht mijn volgende zoektocht al op mij.

Een mysterieuze moleculaire wereld

Scheikundigen, zoals ik, zijn continu opzoek naar onbekende moleculen met interessante eigenschappen. Deze ontwikkelen we dan verder tot een nieuw geneesmiddel of materiaal.  Net zoals mijn speurtocht naar mijn sleutel, zoek ik naar een molecule in een grote kamer die we de chemische ruimte noemen. Deze ruimte is vergelijkbaar met onze kosmische ruimte waar elke bestaande of onontdekte molecule als een planeet of ster schittert in het heelal. Nu is er wel één klein probleem.

Stel je voor dat ik al deze moleculen één voor één zou moeten bestuderen, dan zou ik mijn leven lang opzoek zijn. Mijn speurtocht naar mijn sleutel deze ochtend is niets in vergelijking met deze speld in een hooiberg.

Voor mijn doctoraat beperken we onze zoektocht tot het opsporen van één specifieke soort van molecule: een moleculaire schakelaar. Net zoals onze lichtschakelaar thuis kunnen we deze moleculen aan- en uitschakelen. Dit gebeurt niet door op een knop te drukken, maar door het molecule bijvoorbeeld te bestralen met licht, te verwarmen of een reactie te laten ondergaan waarbij het elektronen uitwisselt. Wetenschappers gebruiken deze schakelaars om er superkleine elektronica op molecuulgrootte van te maken zodat we onze computers of gsm kleiner kunnen maken.

Houston, we have a molecule!

Uiteraard begin ik niet zonder plan te zoeken naar mijn moleculaire schakelaars. Dankzij een simpel zoekalgoritme moet ik niet alle deciljoen (die tien met 60 nullen van daarnet) moleculen bestuderen, maar doorzoek ik op een efficiënte manier de chemische ruimte. Op de universiteit staat een superkrachtige computer, waarop ik het algoritme laat lopen die bepaalt welke regio’s van de ruimte ik ga onderzoeken. Om te laten zien hoe het algoritme exact werkt, neem ik je graag mee op één van mijn ruimtereizen!

Stel je voor dat je samen met mij in een raket stapt met als bestemming de chemische ruimte. Nadat de lancering vlekkeloos verlopen is, banen we met ons ruimteschip een weg door de pikzwarte leegte. Verspreid over de hele ruimte zie je enkele fonkelende sterren, die even mijn moleculaire schakelaars voorstellen. Het doel van deze ruimtereis is om de helderste ster te vinden. We zoeken dus de molecule die bij het aanschakelen het helderste schijnt aan de hemel.

Onze reis start bij een willekeurige ster en onze GPS in de cockpit berekent alle routes naar de meest heldere sterren in zijn nabijheid. Na alle opties te vergelijken, selecteert de GPS de weg naar de helderste ster. Die bevindt zich aan onze rechterkant en dus vliegen we daarnaartoe. Deze ster wordt onze nieuwe uitvalsbasis die onze GPS als startpositie neemt om de volgende routes te berekenen. Mijn navigatiesysteem stopt pas met routes uit te rekenen zodra we geen ster vinden die helderder is dan onze huidige startpositie.

Zeker een maand wachten we in spanning af tot we eindelijk het verlossende bericht krijgen in de cockpit. Er verschijnt dan in grote groene letters op het zwarte computerscherm “CANDIDATE FOUND!” De beste schakelaar in deze regio is gevonden, maar onze reis door de ruimte zit er nog niet op! Startende van verschillende locaties in de ruimte maken we zo in totaal vier verschillende reizen gedurende een halfjaar. Met al deze informatie opgeslagen in onze GPS keren we met ons ruimteschip terug naar de aarde om de data gedetailleerd te bestuderen.

De ruimte in kaart gebracht

Terug naar de werkelijkheid op mijn bureau, tel ik hoeveel nieuwe schakelaars we hebben ontdekt tijdens onze ruimtereizen. Mijn GPS drukt een lijst met alle 562 moleculen af die we gevonden hebben tijdens onze reis. Deze kunnen we dan lokaliseren op een kaart, waardoor we sterrenstelses afbakenen met gelijkaardige systemen. Elke kleur op de kaart komt overeen met regio’s die we bestudeerd hebben tijdens één van onze vier reizen. Op mijn kaart omcirkel ik de belangrijkste gebieden, waar we onze beste schakelaars gevonden.

Nu ik al deze gebieden met veelbelovende schakelaars in kaart gebracht heb, is de volgende stap om deze schakelaars echt te maken in een laboratorium. Voor vele chemici blijft dit nog steeds een grote uitdaging, maar toch beginnen wetenschappers meer te steunen op deze ruimte exploraties voordat ze nieuwe materialen maken. Zo is er een zelfsturend laboratorium aan de universiteit van Toronto waar een robot zelf beloftevolle batterijen maakt op basis van ruimtezoektochten.

Ook ik heb nog een grote uitdaging voor de boeg! Ik begrijp nog altijd niet waarom deze regio’s het zo goed doen voor mijn moleculaire schakelaars. Om een antwoord te krijgen op deze vraag probeer ik modellen op te stellen en te begrijpen met verklaarbare artificiële intelligentie. Ik zal eerst nog een beetje moeten verder zoeken, maar net zoals met mijn sleutels deze ochtend geldt: “wie zoekt, die vindt!”

Wil je graag meer te weten komen over mijn avonturen in de ruimte, dan kan je hier mijn laatste wetenschappelijk artikel gratis terugvinden. Hou zeker ook de SciMingo’s SciComm-Academy Podcast in de gaten voor mijn podcast aflevering! Voor een blik achter de schermen van de supercomputer, kan je altijd deze EOS blog van mijn collega bekijken of deze interessante EOS podcast beluisteren.