Újabb öt évre elnyerte az MTA Lendület kutatói pályázatát Dr. Czakó Gábor egyetemi docens, a Szegedi Tudományegyetem Fizikai Kémiai és Anyagtudományi Tanszék Elméleti Reakciódinamika Kutatócsoportjának vezetője. Az új Lendület-projektben olyan modellt fejlesztenek, amely a kémiai reakcióban részt vevő elektronok mellett a jóval nehezebb atommagok mozgását is kvantummechanikai egyenletekkel tudja leírni.
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 tervezett, 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.
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 kémiai folyamatokat irányító kvantummechanikai törvényekkel az a probléma, hogy ezek bonyolult egyenletekre vezetnek. Egy-két nagyon egyszerű rendszert leszámítva nincsen papíron, ceruzával 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.
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.
Az absztrakt modellezést Czakó Gábor azzal teszi szemléletesebbé, hogy képzeljünk el egy terepasztalt, amelyen az elektronok energiaszintje jelenti a domborzatot. A domborzat 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 megjeleníti 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 arra számít, hogy az új Lendület-pályázatban készülő fejlesztésükkel olyan pontosságú számítást is el tudnak majd végezni, amire a tudományos irodalomban ma még nincs módszer.
(SZTE)
Fotó: SZTE/Kovács-Jerney Ádám
