Hvad sker der med et atom, hvis det udsættes for ekstrem varme eller pres? Det kan være svært at vise i et fysisk forsøg, men ved hjælp af computersimuleringer kan forskere se, hvad der sker med universets små byggeklodser under forskellige forhold.
Forestil dig for eksempel, at du gerne vil videreudvikle et materiale, som kan bruges til at lede strøm i en mobiltelefon. For at undgå, at lave store fysiske forsøg på alle de mulige atomer, der kan bruges i videreudviklingen, så bruger du computersimulering. Den udvælger for dig, hvilken type atomer der kunne være lovende for materialet. På den måde har computersimuleringen gjort, at du kun skal lave ganske få eksperimenter.
Netop denne metode fremlagde den belgiske forsker Gian-Marco Riagnese på den danske kvante-konference QuantumHagen, der er arrangeret i samarbejde med Danmarks Tekniske Universitet og Quantumwise.
»Det tager lang tid at lave eksperimenterne i fysisk forstand, men med computersimulering kan du både spare tid og penge. Der er brug for computersimulering, fordi de elektroniske enheder såsom mobiltelefoner bliver mindre og mindre. Det betyder, at vi er nødt til at se på, hvor meget det enkelte atom kan yde, og det kan vi gøre i en computersimulering,« siger Anders Blom, der er kundedirektør hos Quantumwise.
Det er state of the art
Gian-Marco Riagneses projekt blev sammen med andre projekter præsenteret på QuantumHagen. Her kunne forskere fra fem kontinenter blandt andet høre om, hvad der rører sig inden for feltet, også fik de lov til at arbejde i de danskproducerede programmer Virtual NanoLab og Atomistix Toolkit, der kan bygge og simulere atomarestrukture.
»Det, der er godt ved den her konference, er, at vi har et fælles udgangspunkt i metoderne, og så ser vi, hvor langt vi kan flytte forskningen på vores respektive felter. På den måde bliver vi endnu bedre. Det, der bliver præsenteret her, er ’state of the art’,« siger Tejs Vegge, der er professor og sektionsleder ved Institut for Energikonvertering og –lagring ved Danmarks Tekniske Universitet.
Computersimuleringer sparer tid og penge
\ Fakta
Når man arbejder med atomer, så arbejder man med en måleenhed, der hedder nanometer. Én nanometer svarer til én milliardtedel af en meter. Et brintatom er 0,1 nanometer småt. Nanometer bruges også til at beskrive lys. For eksempel er lys synligt for os, når det har en bølgelængde på 400 - 800 nanometer. Kilde: Wikipedia EN
De bittesmå atomer har siden antikken været årsag til forundring, og i dag ved man en masse om dem, men det ændrer ikke på, at de stadig er svære at lave decideret eksperimenter med.
Derfor er det oftest nemmere at simulere dem i et computerprogram, hvor man for eksempel gerne vil finde ud af, hvordan to slags atomer reagerer med hinanden, hvis de er under højt tryk.
Det er det danske firma Quantumwise, der har udviklet de to produkter, som blev afprøvet på konferencen. Det lyder også umiddelbart simpelt, at forskere kan bruge to computerprogrammer til at simulere atomer, men nogle gange kræver det en supercomputer, der er 100 gange kraftigere end en almindelig bærbar, hvis resultatet skal være præcist.
»Simuleringerne er rimelig præcise. Men et af de store problemer er, at supercomputere nogle gange skal regne i ugevis, for at finde et resultat. Vi er ved at se, om man kan lave simple modeller og bedre algoritmer, så vi kan sætte tiden ned på beregningerne,« Kurt Stokbro, der er direktør hos Quantumwise.
Atomer kan sættes sammen på et hav af måder
De to programmer Virtual NanoLab og Atomistix Toolkit kan bruges til at opbygge materialer atom for atom og udsætte dem for blandt andet høje temperaturer eller tryk. På den måde er det nemt for forskerne at se, hvilke atomer eller materialer der er anvendelige i fremtidens elektroniske produkter.
»Det kan bruges til at skabe nye materialer, som kan anvendes i elektroniske enheder som mobiltelefoner og laptops. Inden for et andet felt kan det også bruges til at udvikle ny medicin,« siger Anders Blom.
\ Fakta
Kvantefysik omfatter næsten alle aspekter af fysikken og giver en grundig beskrivelse af atomer, molekyler og faste stoffer. Hele emnet er tæt knyttet til byen København og Niels Bohr Instituttet med udspring i den danske fysiker Niels Bohrs udvikling af sin banebrydende atommodel fra 1913. Kilde: Niels Bohr Institutet
En forsker, der bruger Quantumwises produkter, er Tejs Vegge, som gerne vil simulere, hvad der sker, når forskellige atomer mødes.
»Hvis vi skal sætte forskellige atomer eller materialer sammen, så kan de sættes sammen på et hav af måder. Det som Atomistix Toolkit gør for os, det er hurtigt at udregne, hvordan de bedst binder sig til hinanden, og hvadfdet for eksempel betyder for transporten af elektroner. Det er ekstremt svært at simulere, men det kan deres program,« siger Tejs Vegge.
Tejs Vegge arbejder lige nu med at lave kvælstof om til ammoniak, og ved hjælp af computersimuleringer kan han undersøge, hvilke nanopartikler der bedst til jobbet i at omdanne kvælstof til ammoniak ved brug af elektricitet fra for eksempel vindmøller.
Nye mennesker – nye idéer
Computersimuleringer af atomer er for nogle et meget nørdet emne, og næsten alle deltagerne på den danske konference var da også mænd, men tre kvinder havde alligevel sneget sig med for at se, hvad der sker af spændende ting inden for feltet.
»Det har været interessant indtil videre, synes jeg. Det er altid godt at møde nye forskere inden for ens eget felt, på den måde kan vi udveksle idéer, som måske senere kan bruges i ens forskning,« siger den ene af de tre kvinder Noora Tuomisto, der er ph.d.-studerende ved Aalto University i Finland.
