Laat die proefbuis nog maar even liggen. Computersimulaties voorspellen de uitkomst van chemische reacties. Virtuele chemie vermijdt zo overbodige experimenten.
‘Dat is dan 22 euro,’ zegt de loketbediende, ‘maar haast u, want de trein vertrekt over vijf minuten.’
‘En hoe laat kom ik dan aan in Antwerpen?’ vraag ik.
‘Antwerpen?’ Verbaasde blik. ‘Tja, misschien komt die trein ook wel langs Antwerpen, dat zou kunnen. Maar kijk onderweg toch gewoon uit het raampje, dan ziet u snel genoeg waarheen de trein u brengt.’
Dit gesprek vond nooit plaats. Gelukkig maar: stel je voor dat elke trein een onbekend traject heeft. Dat is misschien wel avontuurlijk, maar niet echt praktisch. Waarschijnlijk bereikt u uw bestemming liever niet door trial-and-error, en koopt u niet graag een ticket voor de foute trein. Daarom hebben we ook routeplanners.
Hoewel chemici niet vies zijn van wat trial-and-error in het laboratorium, doen ook in het chemisch onderzoek nieuwe soorten routeplanners hun intrede. Meer en meer onderzoekers willen met behulp van computersimulaties de beste onderzoeksroutes vinden, om zo overbodige experimenten te vermijden.
Een voorbeeld: een belangrijk onderzoeksdomein is de zoektocht naar nieuwe materialen om broeikasgassen zoals CO2 uit uitlaatgassen te halen en om te zetten in nuttige grondstoffen zoals methanol of mierenzuur. Maar hoe start je met die zoektocht? Wat voor materialen moeten we testen? Welke dan eerst? Kiezen we materialen die we al kennen? Of moeten we totaal nieuwe ontwikkelen? Zo veel keuzes, zo weinig tijd.
Voorspellen met simulaties
Computersimulaties zouden die keuzestress dus kunnen verminderen. Want als we mogelijke materialen eerst virtueel uit kunnen testen, moeten we daarna alleen de meest veelbelovende ook ‘in het echt’ onderzoeken. Zo maakt de simulatie het onderzoek efficiënter.
Eerlijk gezegd: ik ben nooit zo’n laboratoriumheld geweest
Ik was in elk geval overtuigd: met simulaties aan virtuele chemie doen? Het leek de ideale combinatie van mijn studie Chemie met mijn interesse voor computers. En ik kon aan chemisch onderzoek doen zonder labowerk. Want eerlijk gezegd: zo’n held ben ik nooit geweest in het laboratorium.
En toch is er een probleem. Want als we chemische reacties willen voorspellen in computersimulaties, moeten we soms wel miljarden simulaties uitvoeren. Hierdoor zou het zo’n virtueel experiment wel jaren kosten om een voorspelling te doen, en dus ook geen voordeel bieden over een ‘echt’ experiment. Dat probleem heb ik kunnen oplossen in mijn doctoraatsonderzoek. Dankzij een nieuwe simulatietechniek kunnen we wél chemische reacties voorspellen in slechts één korte computerberekening.
Botsingen in het virtuele laboratorium
Computersimulaties kan je vergelijken met een animatiefilmpje dat frame na frame toont hoe atomen om elkaar heen dansen. Samen vormen atomen moleculen, die als ze hard genoeg botsen chemische reacties aangaan. Krachtige computers moeten de bewegingen van elk atooom stap voor stap uitrekenen. Een volledig filmpje maken kost dus nogal wat tijd.
Illustratie boven: Computersimulaties verbeelden chemische reacties als een animatie van bewegende atomen in moleculen – maar soms alleen na jaren van berekeningen.
Helaas zijn veel van die lange berekeningen voor niets. Want eigenlijk zijn moleculen nogal saai. Ze bewegen en botsen wel de hele tijd, maar de écht harde botsingen die nodig zijn voor chemische reacties zijn eerder zeldzaam. Vergelijk het met druk verkeer op een autosnelweg: de snelheid van elke auto kan variëren en bestuurders wisselen de hele tijd van rijstrook, maar uiteindelijk beweegt het verkeer als geheel zich steeds even eentonig verder. Slechts heel af en toe gebeurt er iets drastisch, en vindt er een botsing plaats. Meestal gebeurt er niets.
Dit is ook waarom we erg veel berekeningen nodig hebben om een enkele reactie te kunnen simuleren. Want met simulaties op zoek gaan naar chemische reacties is dus eigenlijk een beetje zoals slechts enkele seconden naar de snelweg kijken, hopend om juist dan getuige te zijn van een kettingbotsing. De kans is klein, en je zult waarschijnlijk gewoon ‘oninteressant’ gewriemel zien, terwijl reacties uitblijven. Om een chemische reactie waar te nemen in de simulatie moet je dus lang filmpje maken, ofwel jaren aan een stuk rekenen met een supercomputer. Terug naar af, dus?
Het virtueel experiment zou jaren doen over een voorspelling
Dit probleem loste ik op in mijn doctoraatsonderzoek aan de UAntwerpen. Ik ontwikkelde een nieuwe simulatiemethode die specifiek harde kettingbotsingen tussen moleculen uitlokt. Tijdens de simulatie krijgen de atomen extra duwtjes De sterkte en richting van die duwtjes worden automatisch gedurende simulatie aangepast. Zo worden botsingen krachtiger en de kans op reacties miljoenen malen groter. De simulaties worden dan ook een stuk korter: geen jaren, maar slechts dagen of uren. Op die manier is mijn simulatietechniek een echt virtueel laboratorium: ik zeg welke stoffen worden samengevoegd in een reactie, en na de berekening vertelt de computer wat de producten zijn.
Geen perfecte glazen bol
Maar is het virtuele experiment ook realistisch? Dat kan je alleen zeker weten als je de voorspellingen van de simulaties vergelijkt met ‘echte’ experimenten. Een goed gekend chemisch proces is de verbranding van diesel in een automotor. De complexe reacties die er plaatsgrijpen – en de verschillende producten die ze vormen – maken het een uitdagende test voor mijn simulatietechniek. En warempel: zelfs voor dit ingewikkelde proces kon mijn methode een voorspelling afleveren die perfect in lijn ligt met experimenten uit het verleden.
Chemische waarzeggerij lijkt zo wel binnen handbereik. Toch is een simulatie nog geen perfecte glazen bol
Mijn simulatietechniek kan op dezelfde manier ook nieuwe reacties ontdekken. Chemische waarzeggerij lijkt zo echt wel binnen handbereik. Toch is een simulatie nog geen perfecte glazen bol. Computermodellen blijven immers benaderingen van de realiteit. Dus wat de simulatie ook voorspelt, experimenten blijven nodig ter controle. Uiteindelijk geven experimenten en simulaties elk een eigen unieke kijk op een probleem, en zijn ze dus op hun best als ze kunnen samenwerken. Simulaties zijn ‘proper’ en geven veel details, maar experimenten liggen op de weg naar echte toepassingen.
En zo komen we opnieuw bij onze zoektocht naar materialen voor CO2-afbraak. Mijn simulaties voorspelden dat een aantal materialen gebaseerd op aluminium heel goed zijn in CO2 omzetten, op voorwaarde dat ze elektrisch geladen zijn. Die elektrische lading zouden we kunnen halen uit zonne- of windenergie, en zo op een duurzame manier industriële uitlaatgassen terug omzetten in nuttige grondstoffen.
Maar hoe dat praktisch in zijn werk moet gaan, dat kan ik daar veilig achter mijn computer niet zeggen. Daarvoor zullen ze in het laboratorium nog steeds hun handen moeten vuilmaken.
Kristof Bal is met zijn onderzoek naar microscopische simulaties en macroscopische chemie genomineerd voor de Vlaamse PhD Cup.
