Forschungsergebnisse, Wissenschaftliche Publikationen

Worum geht es?
Fast alle Eigenschaften eines Stoffs hängen davon ab, wie seine Elektronen verteilt sind und wie sie sich verhalten: ob ein Material Strom leitet, welche Farbe ein Farbstoff hat, wie stabil ein Kristall ist, wie schnell eine Reaktion abläuft. Das nennt man die elektronische Struktur.

Haben Sie ein konkretes Beispiel?
Mich interessiert zum Beispiel, wie sich ein Molekül an einer festen Oberfläche anlagert, etwa Wasser an einer hauchdünnen Schicht aus Bornitrid, einem Material aus Bor und Stickstoff. Wo sitzt ein Wassermolekül auf dieser Schicht am liebsten, und wie fest hält es dort an der Oberfläche? Um das herauszufinden, würde ich das Molekül im Modell an verschiedene Stellen setzen, es unterschiedlich ausrichten und die Energien vergleichen. Die Anordnung mit der niedrigsten Energie ist die günstigste. Wie sich solche Moleküle auf den Oberflächen anlagern, ist besonders wichtig für das Verständnis von katalytischen Reaktionen.

Was ist Quantenchemie?
Die Quantenchemie wendet die Gesetze der Quantenmechanik auf chemische Fragen an. Elektronen bewegen sich dabei nicht auf festen Bahnen. Wir Chemiker berechnen stattdessen, mit welcher Wahrscheinlichkeit sich ein Elektron an einem bestimmten Ort aufhält. Exakt analytisch lösen lassen sich die Gleichungen praktisch nur für ein einzelnes Elektron, etwa im Wasserstoffatom. Schon in einem kleinen Stück Diamant beeinflussen sich viele Elektronen gegenseitig. Chemiker brauchen deshalb Näherungen - und welche geeignet ist, hängt von der Frage ab.

Können Sie damit chemische Reaktionen vorhersagen?
Teilweise. Für eine bestimmte Reaktion können wir berechnen, wie viel Energie frei wird oder aufgewendet werden muss. Wir können auch einen möglichen Reaktionsweg verfolgen. Dabei lösen sich Bindungen, neue entstehen, und meist muss zuerst eine Energiehürde überwunden werden. Ihre Höhe bestimmt, wie schnell die Reaktion bei einer bestimmten Temperatur abläuft. Schwieriger ist die Frage „Was entsteht, wenn man diese beiden Stoffe mischt?“. Dafür muss man wissen, welche Reaktionswege miteinander konkurrieren, welche Rolle Lösungsmittel und Temperatur spielen und ob ein Katalysator beteiligt ist. Das kann eine Rechnung selten allein beantworten.

Es gibt viele Quantenchemieprogramme. Was ist an vibe-qc neu?
vibe-qc ist nach meinem Kenntnisstand das erste Programm dieser Art, das fast vollständig von generativer KI entwickelt wurde. Neu ist also die Arbeitsweise, nicht ein einzelnes Rechenverfahren. Ich habe ein System entworfen, in dem KI-Agenten, eine Art digitale Programmierer, unter wissenschaftlicher Anleitung ein Programm dieser Größe schreiben und testen, und das sehr schnell: Die erste umfassende Fassung stand nach rund zehn Wochen.

Wie stellen Sie sicher, dass die KI das tut, was sie soll?
Ich muss jeden Vorschlag prüfen. Am ersten Tag wollte der Assistent ein Lithiumatom mit einem Verfahren berechnen, das alle Elektronen paarweise behandelt. Lithium hat aber drei Elektronen, eines bleibt also ungepaart. Das klang plausibel und war schon durch Abzählen als falsch zu erkennen. Andere Fehler fielen erst auf, als die Ergebnisse mit denen eines unabhängig entwickelten Programms verglichen wurden. Deshalb gilt eine Methode in vibe-qc erst dann als einsatzbereit, wenn sie solchen Vergleichen standhält.

Wie nah ist die Rechnung an der Realität?
Wie gut eine Rechnung die Natur beschreibt, hängt auch davon ab, wie stark das Modell die Wirklichkeit vereinfacht. Das zeigte sich bei der Frage, wie viel Energie eine chemische Reaktion braucht, um in Gang zu kommen. Hier wichen die Ergebnisse des vereinfachten Modells im Durchschnitt deutlich von denen aufwendigerer Rechnungen ab. Beide Ergebnisse stammen aus dem Computer. Um zu prüfen, wie nah eine Vorhersage an der Wirklichkeit liegt, brauche ich Messwerte aus dem Labor.

Was ist für Sie das wichtigste Ergebnis?
Das wichtigste Ergebnis ist für mich, dass dieser Weg funktioniert. vibe-qc ist innerhalb weniger Monate zu einem allgemein einsetzbaren Programm für Moleküle und Kristalle geworden. Es beherrscht viele gängige Rechenverfahren, von schnellen Näherungen bis zu sehr aufwendigen, genauen Methoden. Ein einzelner Fachwissenschaftler kann heute ein Programm dieser Größe anleiten, statt es selbst zu schreiben. vibe-qc und die dazugehörigen Programme sind quelloffen. Der Programmcode ist öffentlich zugänglich, und jede und jeder darf ihn unter der Mozilla Public License nutzen, verändern und weitergeben.

Was war die größte Herausforderung?
Ein Programm kann ohne Fehlermeldung durchlaufen und eine überzeugend aussehende Zahl liefern. Schwierig wird es, wenn ein zweites Programm eine andere Zahl liefert. Bei einer Vergleichsrechnung hatten die beiden Programme zum Beispiel die inneren Elektronen der Atome unterschiedlich behandelt und deshalb nicht dieselben Elektronen in die Rechnung einbezogen. Beide Zahlen waren korrekt, gehörten aber zu unterschiedlichen Fragen. Um so etwas aufzuklären, muss man bis zu den physikalischen Annahmen zurückgehen.

Gibt es schon eine Anwendung?
Bisher dienen die veröffentlichten Rechnungen vor allem der Prüfung. Für Diamant habe ich zum Beispiel berechnet, welche Energien die Elektronen im Kristall annehmen können, und für einen ausgewählten Fall geprüft, wie groß der Energiesprung von einem besetzten zu einem freien Zustand ist. Eine unabhängige Rechnung mit einem anderen Programm ergab fast denselben Wert.

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Wissenschaftlicher Ansprechpartner:
Dr. Michael Peintinger
Mulliken Center for Theoretical Chemistry
Universität Bonn
Tel. +49 228 7360443
E-Mail: mpei@uni-bonn.de

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Originalpublikation:
Michael F. Peintinger: VIBE-QC: An Open-Source, General-Purpose Electronic-Structure Code for Molecules and Solids Developed With Generative AI, Journal of Computational Chemistry, https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/jcc.70525