Van reëel naar virtueel: een langzame omwenteling in de chemie

Prof.dr. Evert Jan Baerends
Emeritus Hoogleraar Theoretische Chemie
Vrije Universiteit Amsterdam

De ontwikkeling en rol van de theorie en simulatie in de chemie

Er is zich in mijn vakgebied (de chemie) een omwenteling aan het voltrekken die zo langzaam gaat dat hij bijna niet opvalt. Maar het is wel degelijk een revolutie.

Traditioneel speelt in de chemie het experiment een grote rol. Het experimenteel uitzoeken van “wat er gebeurt” (verloopt een reactie of niet?) en “hoe we iets kunnen maken” heeft altijd vooropgestaan. Theorievorming bestond voornamelijk uit het rationaliseren achteraf en het vinden van regels die we konden hanteren bij voorspellingen. Wie nieuwe synthesemethoden, alternatieve reagentia, betere medicijnen of nieuwe materialen wilde ontwikkelen, ontkwam er niet aan om vele laboratoriumexperimenten te doen.

Maar moleculen gehoorzamen aan de wetten van de kwantummechanica, die ontstond in de jaren twintig van de vorige eeuw. Van Dirac, een van de grondleggers van deze theorie, is de uitspraak (in 1929): “The underlying laws for the mathematical theory of most of physics and all of chemistry are completely known, and the difficulty lies only in the fact that the exact application of these laws leads to equations much too complicated to be soluble”.

Het is de missie van het vakgebied theoretische chemie om die oplossingen wel te genereren. Dat is mogelijk geworden door de komst van de computer, en door een gestage verfijning van goede rekenmodellen. Deze ontwikkelingen gaan nog steeds door – computers worden steeds krachtiger, de fysische modellen en wiskundige methoden worden steeds verder verbeterd. Dat laatste is het feitelijke onderzoeksgebied van de theoretische chemie. Dit ligt door zijn complexiteit buiten het aandachtsgebied van de meeste chemici. De resultaten zijn echter voor alle chemici relevant. We gaan naar een toekomst waarin het naspelen en voorspellen van chemische reacties in de computer dagelijkse praktijk zal worden voor chemici. Het is niet een spectaculaire revolutie, maar het is er wel een, en bovendien een erg ingrijpende.

De pijlers: kwantummechanica en statische thermodynamica

De chemici zijn de architecten van de moleculaire wereld. Het verplaatsen van de ontwerpfase naar het virtuele domein – niet ongelijk aan wat in de bouwwereld heeft plaatsgevonden – is de grote uitdaging voor de theoretische chemie. En het is niet langer een onhaalbare illusie. Wij kennen de fysische basis van het gehele chemische gebeuren: de wetten van de kwantummechanica regeren de atomaire en moleculaire wereld. Het toepassen van deze wetten op het gedrag van de vele elektronen en atoomkernen in een molecuul is een enorm complex probleem. En het gaat niet alleen om het hanteerbaar maken van de fysische complexiteit door het ontwerpen van betrouwbare modellen en het uitvinden van efficiënte wiskundige en numerieke technieken, het gaat ook om het in menselijke taal (beelden en concepten) vertalen van deze complexe werkelijkheid zodat zij gemeengoed kan worden in de bouwwereld van de chemie. In de afgelopen vijftig jaar is er al enorme vooruitgang geboekt. Maar er moet nog een “quantum jump” gemaakt worden in de nauwkeurigheid van de modellen en de numerieke methoden, en in de concepten die gebruikt kunnen worden om ook het gedrag en de eigenschappen van werkelijk grote systemen in bevattelijke beelden te kunnen bespreken en communiceren. En de virtuele wereld van de computersimulaties zal ook een veel groter realiteitsgehalte moeten krijgen door de wijdere omgeving – oplosmiddelen bij gewone reacties, eiwitpocket bij enzymatische reacties, statistisch thermodynamische effecten – in een geheel van multiscale modelling mee te nemen.

Maar er is in deze langzame revolutie ook op dit ogenblik al veel bereikt. Computermodellen kunnen in veel gevallen al van tevoren vertellen welke structuur de tussen- en eindproducten hebben van een reactie hebben, hoe stabiel ze zijn, hoe gemakkelijk ze reageren met andere moleculen, welke fysische eigenschappen ze bezitten en hoe je hun aanwezigheid met spectroscopen kunt aantonen.

Het bezit van goede modellen en de grote kracht van computers luidt voor veel chemici een heel andere manier van werken in. Gebruiksvriendelijke computermodellen verruimen de creatieve mogelijkheden van vrijwel elke chemicus. Niet langer gehinderd door allerlei praktische beperkingen van het laboratorium kunnen nieuwe moleculen, materialen en katalytische reacties verzonnen worden, die dan na afloop in het laboratorium alleen nog gecontroleerd hoeven te worden. Het is evident dat dit niet alleen enorm kostenbesparend zal zijn, het maakt in sommige gevallen (onderzoek aan nucleair afval, aan explosieven, aan zeer toxische stoffen) ook het verschil tussen wel en geen onderzoek kunnen doen.

Het instrumentarium: de (super-)computer.

De complexiteit van de fysisch-mathematische beschrijving van de chemische werkelijkheid van moleculen en materialen heeft tot gevolg dat veel rekenkracht nodig is om deze werkelijkheid virtueel gestalte te geven. Theoretische en computationele chemici zijn dan ook al lange tijd grootgebruikers van de nationale computerinfrastructuur, in het bijzonder de nationale supercomputer bij SARA in Amsterdam. De toenemende snelheid van desktopcomputers (de huis-tuin-en-keuken-PC) maakt het echter mogelijk dat veel chemische problemen al met deze veel lichtere apparatuur aangepakt wordt. Dit werkt een democratisering van deze techniek in de hand: voor elke chemicus zal simuleren op een computer altijd binnen handbereik zijn. In feite is dat nu al zo. De toekomst is wat dat betreft al begonnen, al zal het nog even duren voordat dit tot alle chemici zal zijn doorgedrongen en de grote mogelijkheden van het simuleren voluit benut zullen worden.


Andere bijdragen in Computer van de toekomst, Leven maken, Scheikunde