Kunstmatige intelligentie zorgt voor sneller inzicht in reactie van moleculen op licht

Veel moderne technieken maken gebruik van door licht veroorzaakte processen. Denk aan zonnecellen, door licht geactiveerde geneesmiddelen of op licht reagerende materialen. Theoretisch onderzoek naar de dynamiek die licht kan veroorzaken in moleculen vraagt om berekeningen van hun elektronische structuur, iets wat veel rekentijd kost. RUG onderzoekers hebben nu een op machinaal leren gebaseerd algoritme ontwikkeld dat de rekentijd flink terugbrengt. Hun Open Source softwarepakket PySurf is op 24 november gepresenteerd via een artikel in het Journal of Chemical Theory and Computation.

Hoe gedragen moleculen zich wanneer er licht op schijnt? De kennis van dit proces is niet alleen belangrijk voor het begrijpen van natuurlijke processen zoals fotosynthese of vitamine D productie, maar ook voor het ontwerpen van nieuwe moleculen die reageren op licht.

Machinaal leren

Maar ondanks de steeds grotere capaciteit van computers en verbeterde rekenmethoden is het berekenen van de interactie tussen licht en moleculen nog steeds een hele uitdaging, legt Shirin Faraji uit. Zij is adjunct hoogleraar Theoretische Chemie en hoofdauteur van het artikel. ‘Deze complexe berekeningen van de elektronische structuur kost al heel veel tijd voor gemiddelde moleculen, zoals typische chromoforen die bestaan uit zo’n dertig zware atomen.’ Wanneer je daar de invloed van de omgeving nog bij wilt betrekken op kwantummechanisch niveau is dat praktisch onmogelijk te doen.

‘De huidige software zoekt de hele conformatie-ruimte af, maar wij gebruiken machinaal leren om delen van die ruimte uit te sluiten via slimme zoektechnieken’, legt Faraji uit. ‘Onze software heeft daarom enkele orden van grootte minder rekentijd nodig dan standaard programma’s.’ In het artikel berekenen de ontwikkelaars de foto-dynamische eigenschappen van twee standaardmoleculen (zwaveldioxide en pyrazine) en laten zien dat hun uitkomsten vergelijkbaar zijn aan simulaties die helemaal gebaseerd zijn op kwantumdynamica.

Kwantum chemie

Het softwarepakket is van de grond af opgebouwd en is mede daardoor eenvoudig aan te passen voor specifieke doeleinden, bijvoorbeeld via adapters voor plug-ins en werkplanning. Faraji: ‘Een promovendus kan gemakkelijk in de code duiken en van daar uit een nieuw algoritme ontwikkelen, bijvoorbeeld een neuraal netwerk algoritme.’

Faraji leverde al eerder bijdragen voor softwarepakketten, de belangrijkste is Q-Chem, een softwareprogramma dat wereldleider is in kwantum chemie. Zij maakt momenteel ook deel uit van de Raad van Bestuur van Q-Chem. De nieuwe PySurf software werkt goed samen met Q-Chem, maar ook met andere software voor elektronische structuurstudies. PySurf is een Open Source pakket, het is gratis te downloaden en er is een handleiding beschikbaar. Bovendien verleent het team van Faraji ondersteuning aan gebruikers.

Eerste release

De PySurf software is het resultaat van een project dat is uitgevoerd met behulp van een persoonlijke beurs aan Faraji via het NWO Vidi programma. ‘We zijn pas anderhalf jaar bezig met dit vijfjarige project. De huidige versie is dus pas de eerste release. We blijven er nog aan werken om het te optimaliseren en we willen het ook nog gebruiksvriendelijker maken.’

Referentie: Maximilian F. S. J. Menger, Johannes Ehrmaier, and Shirin Faraji: PySurf: A Framework for Database Accelerated Direct Dynamics. J. Chem. Theory Comput. online 24 November 2020.