Moleculaire simulaties

Prof.dr. Daan Frenkel
Head of Department of Chemistry
University of Cambridge

Wat is de meest belangrijke ontwikkeling in uw vakgebied?

In mijn onderzoek gebruik ik computerberekeningen om het gedrag van materialen te voorspellen op basis van de moleculaire eigenschappen van hun bouwstenen: we noemen dat “Moleculaire Simulaties”. De idee achter moleculair simulaties is simpel: net zoals we computers kunnen gebruiken om de banen van satellieten te voorspellen, zo kunnen we ook de banen van atomen en moleculen berekenen. Maar er is een verschil: bij satellieten willen we de baan zo nauwkeurig mogelijk voorspellen, maar als het gaat om grote aantallen moleculen dan willen we niet zozeer weten hoe de individuele moleculen bewegen maar wat de eigenschappen zijn van het materiaal dat is opgebouwd uit deze moleculen (bijvoorbeeld: “Hoe sterk is het materiaal?”). Het onderscheid is analoog aan dat tussen weersvoorspelling en klimaatsvoorspelling.

Moleculaire Simulaties als gebied is nu ongeveer 60 jaar oud. In de jaren 50 kon men het gedrag van enkele tientallen atomen bestuderen – en dan nog maar voor een extreem korte tijd. Met de groei van het vermogen van computers (ongeveer met een factor 100 miljard) kunnen we systemen van enkele complexe moleculen (bijvoorbeeld oplossingen van eiwitten) gedurende micro- (of zelfs milli-)seconden nabootsen. Door de groei in het vermogen van computers, maar ook door de ontwikkeling van uiterst listige rekentechnieken, ondergingen Moleculaire Simulaties een evolutie die eigenlijk wel een revolutie genoemd mag worden.

In de afgelopen decennia concentreerden Moleculaire Simulaties zich op simpele materialen (water, silicium, rubber etc). Maar nu verschuift het accent naar complexe “systemen” (bijvoorbeeld, een levend organisme). We willen de eigenschappen van dergelijke systemen begrijpen, voorspellen en zo nodig – bijvoorbeeld in geval van ziekte – bijsturen. Er zijn duizenden belangrijke vragen die we zouden willen beantwoorden (en nog meer vragen die we nog niet eens gesteld hebben) – maar, hoe krachtig computers ook zijn, ze zijn bij lange na niet krachtig genoeg om echt complexe systemen te simuleren. Zelfs als het computervermogen, net als in het verleden, iedere 5 jaar zou blijven vertienvoudigen, dan moeten we nog vele decennia wachten voordat we, bijvoorbeeld, de levenscyclus van een bacterie kunnen doorrekenen. Dus: voorlopig moeten we onze modellen vereenvoudigen: zo simpel mogelijk (“maar”, om Einstein, te citeren “niet simpeler”).

Op welke wetenschappelijke doorbraak hoopt U=u?

Binnen mijn vakgebied, hoop ik op drie doorbraken. Twee daarvan liggen strikt genomen niet binnen het gebied van Moleculaire Simulaties, maar zouden daarvoor wel van belang zijn:

1. Ik hoop is dat er een jonge onderzoek(st)er opstaat die ons uitlegt wat fysische informatie is. Hopelijk begrijpen we dan eindelijk wat de kwantummechanica ons probeert te vertellen.

2. Momenteel is het beschikbare computer-vermogen veel te gering voor een frontale aanval op de grote problemen die ik hierboven noemde. Maar als het zou lukken om op grote schaal kwantumcomputers te bouwen, dan kunnen we problemen oplossen waarover nu nog niet eens durven dromen.

3. Voor het beantwoorden van veel problemen moeten we berekeningen op atomaire of moleculaire schaal koppelen aan berekeningen die het macroscopisch gedrag van een systeem beschrijven. Die koppeling laat momenteel nog veel te wensen over – maar als we dit probleem niet oplossen dan hindert dat aanpak van de “grote” problemen die ik eerder noemde.

Wat is de waarde van uw vakgebied voor de samenleving?

Ik beantwoord liever de vraag wat de waarde is van de wetenschap als geheel: ik verwerp het onderscheid tussen “nuttige” en “nutteloze” vakgebieden. Het enige onderscheid dat ik accepteer is tussen baanbrekend onderzoek en “lopende-band” productie.

Wetenschap en techniek (alle wetenschap – niet allen “mijn” gebied) hebben gedurende de afgelopen 2 eeuwen de wereld waarin wij leven volledig getransformeerd. Wetenschap en techniek waren dus belangrijk. Maar nu zijn we in een fase gekomen waarin de problemen waarmee de mensheid wordt geconfronteerd zo groot zijn dat ons voortbestaan als soort in gevaar is. Wetenschappelijk onderzoek is niet langer “alleen maar” een bron van gezondheid en welvaart – het is nu een activiteit die essentieel is voor ons overleven. Daarbij zijn niet alleen de natuur- en levenswetenschappen belangrijk. Wat wij, naast praktische ontdekkingen, vooral moeten leveren zijn hoogopgeleide, kritisch denkende, jonge mensen. Mensen die weten dat nieuwe inzichten niet “top down” ontstaan en dat gelijk of ongelijk niet worden beslist door macht of senioriteit. Mensen, vooral, die altijd en bij alles vragen blijven stellen – en die actief meedenken over oplossingen. In de komende eeuw kunnen we ons geen geestelijke gemakzucht permitteren. En, natuurlijk, bij het aanpakken van de grote problemen van deze tijd (energie, milieu, etc. – allemaal aspecten van een duurzame maatschappij) zijn computersimulaties niet weg te denken.


Andere bijdragen in Computer van de toekomst, Scheikunde