Inntil nylig har man ikke visst hva som gjør at vannmolekyler splittes. NTNU-forskning gir ny forståelse, som kan være nyttig for eksempel når industrien skal produsere hydrogen. Illfoto: Shutterstock

Datakraft løser molekylært mysterium

Ved å kombinere to simuleringsteknikker som ikke tidligere er brukt sammen, har forskere ved NTNU funnet en ny måte å undersøke molekylers oppførsel på. Det er gode nyheter for kjemisk industri.

Kjemiske reaksjoner foregår rundt oss hele tiden, i luften vi puster, vannet vi drikker, i fabrikkene som lager produkter vi bruker i hverdagen. Og reaksjonene skjer raskere enn du sannsynligvis kan forestille deg.

Molekylene som reagerer med hverandre, gjør det på et kvadrilliontedels sekund, dersom forholdene er optimale.

Industrien jobber konstant med å få til raskere og bedre kjemiske prosesser. For eksempel innen hydrogenproduksjon, hvor splitting av vannmolekyler er sentralt.

Men for å kunne forbedre prosessene er det nødvendig å vite hvordan forskjellige molekyler reagerer med hverandre, og hva som utløser reaksjonene.

Vanskelig, selv med datasimuleringer

Ved hjelp av datasimuleringer er det mulig å studere hva som skjer i løpet av et kvadrilliontedels sekund.

Hvis forløpet for en kjemisk reaksjon er kjent, eller hvis det som setter i gang reaksjonen skjer ofte, kan trinnene i reaksjonen studeres med standard datasimuleringsteknikker.

To forskere ser på en skjerm.

Anders Lervik, Vishwesh Venkatraman og kolleger ved Institutt for kjemi kombinerer ulike simuleringsteknikker for å forstå hvordan og hvorfor molekyler oppfører seg som de gjør. Foto: Per Henning / NTNU

 Men slik er det ofte ikke i praksis. Molekylære reaksjoner kan gjerne oppføre seg helt annerledes. De optimale forholdene er ofte ikke til stede. Det gjør reaksjoner utfordrende å undersøke, selv ved hjelp av datasimuleringer. 

Som for eksempel vannmolekyler som brukes i hydrogenproduksjon.  

Inntil nylig har man ikke visst hva som gjør at vannmolekyler splittes. Det man vet er at et vannmolekyl i gjennomsnitt har en levetid på 10 timer før det spaltes. 10 timer høres kanskje ikke ut som lang tid, men i forhold til molekylære tidsskala – som et kvadrilliontedels sekund – er det svært lenge. 

Dette gjør det svært utfordrende å undersøke mekanismen for hvorfor vannmolekyler deler seg. Det er som å se etter en nål i en enorm høystakk. 

Kombinerer to teknikker

I en ny studie har NTNU-forskere funnet en måte å identifisere en nål i en slik høystakk på. For å få til det, kombinerte de to teknikker som ikke tidligere er brukt sammen. 

Ved å bruke en spesiell simuleringsmetode, klarte forskerne først å simulere nøyaktig hvordan vannmolekyler deler seg.

Vannmolekyler

Nærmere 100 000 av denne type simuleringsbilder måtte forskerne studere før de klarte å identifisere hva som skal til for at vannmolekylene splittes. Da måtte det datakraft til.

– Vi begynte å se på disse ti tusen filmene og analysere dem «for hånd», og forsøkte å finne årsaken til hvorfor vannmolekyler splitter seg, forklarer forsker Anders Lervik ved Institutt for kjemi ved NTNU. Arbeidet har han gjort sammen med professor Titus van Erp.

Enorme mengder data

 – Etter å ha brukt mye tid på å undersøke disse filmene, fant vi noen interessante forhold, men det var også klart at mengden data var for stor til å undersøke alt manuelt. 

Forskerne tok i bruk en maskininnlæringsmetode for å oppdage årsakene som utløser reaksjonen. Dette er en metode som aldri tidligere har blitt brukt til simuleringer av denne typen. Gjennom denne analysen oppdaget de et lite antall variabler som beskriver hva som utløser reaksjonene.  

Årsakene de fant gir detaljert kunnskap om mekanismen, og også ideer til måter til å forbedre prosessen.  

Dermed er veien kortere til å finne måter for at industrielle kjemiske reaksjoner kan skje raskere og mer effektivt. Det kan potensielt brukes til å forbedre hydrogenproduksjon.  

Kilde: Local initiation conditions for water autoionization i fagtidsskriftet PNAS