Kvantumhatások az atomi terepasztalon - Dr. Czakó Gábor második MTA Lendület-pályázatát nyerte el

Újabb nagy lépést tervez Dr. Czakó Gábor a kémiai reakciók dinamikájának atomi szintű számítógépes modellezésében. Kutatócsoportja az idén lezáruló első MTA Lendület-pályázatában olyan szimulációs módszereket és alkalmazásokat fejlesztett, amelyek többatomos rendszerekben nagy pontossággal írták le a kémiai folyamatokat. Czakó Gábor az elmúlt több mint 10 év alatt a reakciódinamikai szimulációk terén a nemzetközi élvonalba került, nevéhez a Nature lapcsaládhoz tartozó Nature Chemistry folyóiratban megjelent három tanulmány is fűződik.

- A kémiai rendszerek modellezése és számítógépes szimulációja egyre pontosabban magyarázza a kémiai reakciók dinamikáját. Az általunk vizsgált 5-10 atomos rendszerekre olyan pontosan tudunk már elméleti úton számolni, hogy amennyiben az elmélet és a kísérlet nem egyezne egymással, akkor nem biztos, hogy az elmélettel van a gond. Volt rá példa, hogy a szimulációs eredmények után a kísérletben kellett utánanézni, nem volt-e rossz egy beállítás. Ma már akkor hihetjük el, hogy minden rendben van az eredménnyel, amikor az elmélet és a kísérlet összhangba került – mondta az SZTE Junior Prima-díjas kutatója. Czakó Gábor hozzátette, hogy a kémiai reakciók szoftveres szimulációja mostanra már a kísérletek elméleti értelmezésére és egyes reakciófolyamatok előrejelzésére is alkalmassá vált.

Czakó Gábor a második Lendület-pályázatát egy olyan szimulációs modell tervével nyerte el, amelyben a vizsgált elektronok mellett a rendszerben lévő atommagok mozgásának leírására is a kvantummechanika egyenleteit használják.

- A kvantummechanika születésének 100 éves évfordulójánál járunk, nagyjából 100 éve ismerjük a kémiai folyamatokat irányító fizikai törvényeket. A probléma az, hogy ezek bonyolult egyenletekre vezetnek; egy-két nagyon egyszerű rendszert leszámítva nincsen papíron, ceruzával analitikusan megadható megoldásuk. A nagyobb kémiai rendszerekre csak úgy lehet a kvantummechanikát alkalmazni, ha az egyenleteiből algoritmusokat dolgozunk ki, és nagyon sok matematikai művelet végrehajtásával jutunk a nagy pontosságú megoldásokhoz - mondta az SZTE kutatója.

Dr. Czakó Gábor. Fotó: Kovács-Jerney Ádám

A vizsgált kémiai reakciókban elektronokból és atommagokból álló rendszerek mozgását, dinamikáját modellezik. Az elektronok leírására az első Lendület-projektben is a kvantummechanika törvényeit használták. Az atommagok azonban 3-4 nagyságrenddel nehezebbek, ezeknek mozgását a klasszikus Newton-féle mechanika egyenleteivel is lehetett közelíteni. Az új pályázat céljaként Czakó Gábor csoportja most azt tűzte ki, hogy a továbbfejlesztett szimulációs szoftver az atommagokat is kvantumos objektumként kezelje. Ez különösen a legkönnyebb atommagok, például az egy protonból álló hidrogénatommag esetén teszi pontosabbá a számítást.

Az absztrakt modellezést Czakó Gábor azzal teszi szemléletesebbé, hogy képzeljünk el egy terepasztalt, amelyen az elektronok energiaszintje jelenti a domborzatot. A terep valójában az úgynevezett potenciális energia felület, ennek a meredeksége adja meg azokat az erőket, amelyek a klasszikus mechanika szerint az atommagokat mozgatják. A szimulációk azt mutatják meg, hogy ezen a domborzaton melyek a jellemző reakcióutak, milyen termékek képződhetnek és a reakció körülményei hogyan befolyásolják ezt. Czakó Gáborék ehhez a felülethez alkalmas függvényt találtak, amely matematikailag reprezentálja az elektronmozgást. Ez lett az alapja az első Lendület-pályázatukban fejlesztett szoftvernek, amellyel az elmúlt években számos kémiai reakciót tudtak vizsgálni.

Az atommagok dinamikájának kvantummechanikai szimulálására a kereskedelemben nincs megvásárolható szoftver, az egyes kutatócsoportok világszerte több-kevesebb tudású saját szoftverekkel dolgoznak. Czakó Gábor nem kevesebbet tűzött ki, mint azt, hogy a haladó Lendület-pályázatban készülő fejlesztésükkel olyan pontosságú számítást is el tudnak majd végezni, amire a tudományos irodalomban ma még nincs módszer.

Czakó Gábor fontosnak tartja, hogy az elnyert támogatásnak köszönhetően újabb 5 évre egyben tarthatja jelenleg 23 tagú kutatócsoportját, amelyben fiatalok, az SZTE alap- és mesterszakos, valamint PhD-hallgatói, és posztdoktori kutatók vesznek részt.

A pályázati pénzből az elmúlt 5 évben a kutatás igényeire összerakott számítógépklaszteren is terveznek kisebb bővítést; a nagyobb rendszerek esetén ugyanis a szoftver futása akár hónapokig is tarthat, Czakó Gábor pedig arra készül, hogy minél nagyobb rendszerekre tudjanak realisztikus szimulációkat végezni.

Czakó Gábor elmondta még, hogy kutatócsoportja az új Lendület-időszakban szorosabbra vonja majd kapcsolatát az Innsbrucki Egyetem Ionfizikai és Alkalmazott Fizikai Intézet kísérleti kémiai csoportjával. A két kutatócsoport mondhatni kiegészíti egymást, az innsbruckiak kísérleti technikával végeznek olyan méréseket, amelyeknek az eredményei szinte közvetlenül összehasonlíthatók Czakó Gáborék szimulációival. Közös publikációjukat egy 9 atomos rendszer korábban megfejtetlen reakcióútjainak tisztázásáról 2021 nyarán a Nature Chemistry közölte.

Névjegy

Czakó Gábor a Szegedi Tudományegyetem Junior Prima-díjas elméleti kémikusa, egyetemi docens, az MTA doktora, az MTA-SZTE Lendület Elméleti Reakciódinamika Kutatócsoport vezetője. PhD-fokozatát az ELTE-n szerezte 2007-ben, posztdoktori kutatóként az Egyesült Államokban az Emory University-n (2008-2011), tudományos munkatársként az ELTE-n (2011-2015) dolgozott. 2015-től az SZTE Fizikai Kémiai és Anyagtudományi Tanszékének egyetemi adjunktusa, majd 2019-től egyetemi docense.

Panek Sándor

A borítóképen: Dr. Czakó Gábor egyetemi docens, a Szegedi Tudományegyetem Fizikai Kémiai és Anyagtudományi Tanszék Elméleti Reakciódinamika Kutatócsoportjának vezetője. Fotó: Kovács-Jerney Ádám