Artikkel

Datakraft gir forskerne bedre intuisjon og flere ideer

Stian Svelle, Trygve Helgaker
Kjemiprofessorene Stian Svelle (t.v.) og Trygve Helgaker bruker mye datakraft for forstå mer av hvordan kjemiske prosesser foregår. Her er de "inne i" et molekyl i kjemibygget. Foto: Gunhild M. Haugnes/UiO Bruk bildet.

Datakraft gir forskerne bedre intuisjon og flere ideer

Tunge databeregninger har festet grepet i kjemifagene. Men UiO-kjemikerne Trygve Helgaker og Stian Svelle tror likevel ikke at laboratoriene forsvinner.

– Datakraft har gitt kjemifagene en helt ny dimensjon. Men det vil alltid være behov for eksperimenter i laboratorier, sier professor Trygve Helgaker.

Kjemikere er høyt på listen over dem som bruker regnekraft fra den nasjonale infrastrukturen, som deles ut av Uninett Sigma 2.

Helgaker leder Hylleraas Centre for Quantum Molecular Sciences, som er et SFF (Senter for fremragende forskning), hvor en rekke forskere fra UiO og UiT (Universitetet i Tromsø) deltar.

På «sølvplass» etter solfysikere

Helgaker og Hylleraas-senteret har fått tildelt drøyt 32 millioner CPU-timer for inneværende år og er med det nummer to på listen over brukerne av de nasjonale tungregneressursene fra Uninett Sigma 2 etter solfysikerne på UiO med professor Mats Carlsson i spissen.

Man må betale for regnetiden. Hylleraas-senteret må for eksempel punge ut 1,6 millioner kroner for disse ressursene på årsbasis. Mindre brukere betaler ikke. Både Helgaker og Svelle skryter av Uninett Sigma2. Tilgangen på regnetid har til nå vært god i Norge, og systemet for tildeling av regnetid har fungert godt for brukerne.

Helgaker og kollegene jobber med kvantekjemi og såkalte molekylære systemer. Det handler om de aller minste bestanddelene man kjenner – strukturer helt ned på elektronnivå, som brukes til å beregne kjemiske egenskaper.

Hylleraas-senteret utvikler nye beregningsmodeller og nye algoritmer for å gjøre slike beregninger mulige, slik at de kan bli brukt i industri og forskning. Og det er til disse beregningene at datakraften kommer til hjelp.

Både han og kollega Stian Svelles behov for datakraft hentes i hovedsak fra Uninett Sigma2. På jobb er det bare snakk om noen få enkelt-PCer.

Tallknusing og analyse

Enkelte forskergrupper har tunge datamaskiner nær seg, slik at ikke overføringskapasiteten blir en flaskehals. Men for kjemikerne er ikke det noe tema. Det er ikke store mengdene data som skal inn og heller ikke ut, og derfor trengs det ikke mye overføringskapasitet.  

Det er tallknusing og analyse av dataene som krever enorme mengder datakraft, med det skjer i hovedsak inne i supermaskinene.

Svelle jobber med fysikalsk materialkjemi og katalysatorer. Det handler blant annet om forskning på materialer og faste stoffer – deres ulike egenskaper og hvordan de reagerer kjemisk. En stor del av jobben er å bestemme hvilken «input» datamaskinene skal jobbe med.

– Det gjelder å finne gode problemstillinger som gir så viktige svar som mulig og som kan fylle hullene i eksperimentene, sier Svelle.

– Datamaskinen gir bedre intuisjon

Svelle bruker «state of the art»-programvare til dette, både den kommersielle industristandarden VASP og den gratis programvaren Quantum espresso.

Stian Svelle, Trygve Helgaker
Trygve Helgaker og Stian Svelle foran Periodesystemet i foajeen i kjemibygget på UiO. Foto: Gunhild M . Haugnes/UiO Bruk bildet.

– Det beregningene har tilført meg mest, er at jeg har utviklet en bedre kjemisk intuisjon. Man kan tegne på tavla, flytte atomer rundt på papir og lignende. Men i datamaskinen kan og må man se på atomer og molekyler på en helt annen måte, sier Svelle.

Han påpeker at det til dels handler om det romlige, det tredimensjonale.

– Men med datamaskinen er det også lettere å se reaksjoner mellom atomene. De kan skyves rundt på andre måter. Det gir en god trening i å forstå kjemien og gjør at man får flere ideer.

Den tredje dimensjonen

Helgaker nikker gjenkjennende. Han er enig i at databeregningene har gjort forskningen bedre.

– Tidligere var forskningen basert på basal teori og eksperimenter. Nå har vi fått en tredje dimensjon i tillegg, simuleringer og numeriske beregninger på datamaskiner. Vi kan undersøke ting på nye måter ved hjelp av datamaskiner, noe som øker forståelsen.

Hylleraas-senteret er en tverrfaglig gruppe som arbeider med kjemiske, fysiske og biologiske problemstillinger. En viktig del av arbeidet er utvikling og implementering av nye beregningsmetoder, noe som krever god kompetanse i anvendt matematikk og informatikk.

Vil du ha flere forskningsnyheter om realfag og teknologi? Følg Titan.uio.no på Facebook eller abonner på nyhetsbrevet vårt

Multiskalamodellering

Et viktig teknikk er såkalt multiskalamodellering, der modeller og beregningsmetoder for ulike rom- og tidsskalaer kobles sammen på en balansert måte. På denne måten man kan studere store molekylære systemer og deres utvikling i tid uten at dette blir for kostbart. På det øverste nivået beskrives flere tusen atomer med klassisk mekanikk. På det laveste nivå beskrives noen titall atomer kvantemekanisk.

Kvantemekaniske beregninger er langt mer kostbare enn klassiske beregninger og forbeholdes derfor atomer og prosesser som er avhengig av en slik beskrivelse. Kunsten er å kombinere de klassiske og kvantemekaniske beregningene slik at de fenomenene man studerer, beskrives på en riktig måte.

Også på Svelles fagfelt brukes multiskalamodeller, for eksempel når man jobber med petrokjemiske reaktorer. Slike modeller vil ha flere nivåer som må kobles sammen, helt fra det atomære nivået via mikrokinetikk, diffusjon og varmeoverføring til man kan simulere en hel kjemisk reaktor.

Stadig flere som koder

Hylleraas-gruppa har egne folk som koder, det vil si utvikler spesialtilpasset programvare, blant annet for beregninger ned til nanosekund  (10-9), pikosekund (10-12) og endog femtosekund (10-15).

– Databeregninger gjøres alle steder i kjemiforskningen. De fleste forskningsgruppene på Kjemisk institutt benytter slike beregninger, påpeker Helgaker.

Forskerne er enige om at databeregningene ikke vil fjerne laboratoriene.

– Mer av alt

– Det vil alltid være behov for laboratorier hvor man kan gjøre eksperimenter. Også kompetansen forskerne og andre fagfolk har, vil fortsatt være sentral. Det blir bare mer og mer av alt, sier Svelle.

Helgaker påpeker at datamaskinene har en lang historie i kjemifagene. Han husker da UiO-kjemiker Odd Hassel fikk Nobel-prisen i 1969 for sitt arbeid med såkalt elektrondiffraksjon, som er en teknikk som brukes til å studere molekyler og deres struktur gjennom å skyte elektroner på en prøve. Helgaker ble med på dette som ung forsker på 70-tallet.

– Allerede den gang benyttet man beregninger i kombinasjon med tradisjonelle eksperimentelle metoder. Med økende datakraft og mer avanserte metoder ga kvantemekaniske beregninger etter hvert mer pålitelige resultater enn eksperimentelle målinger, sier han.

Mer på Titan.uio.no:

Kontakt:

Les også

elementaerpartikler

Hvilken elementærpartikkel er du?

Ingvild Garmo Nilsson er antimyon. Hun jobber ved skolelaboratoriet på Cern, der de har laget en quiz som forteller deg hvilken elementærpartikkel du ligner mest på.

Professor Nils Christian Stenseth blar andektig i Mendels gamle manuskript

– Fantastisk opplevelse å få bla i Mendels manuskript

Professor Nils Chr. Stenseth har opplevd mye i løpet av en lang forskerkarriere, men besøket i St. Thomas-klosteret i den tsjekkiske byen Brno ble likevel noe utenom det vanlige. Der fikk Stenseth nemlig lov til å bla i et av biologiens aller viktigste verk: Munken Gregor Mendels håndskrevne originalmanuskript fra 1865.

Eva Lena Fjeld Estensmo undersøker hvor mye støv som har samlet seg på Kristine Bonnevie

Enkle støvprøver avslører hvem andre som bor i huset ditt

Eva Lena Fjeld Estensmo undersøker støvprøver fra barnehager og private hjem, for å kartlegge hva slags mikroskopiske sopper – både skadelige og harmløse – som vokser innendørs i Norge. Men analysemetodene er så fintfølende at støvprøvene til og med kan avsløre hva folk har i kjøleskapet.