Kemian Nobel 2013 Jaakko Akola Materiaalit ja molekyläärinen mallinnus Fysiikan laitos Tampereen teknillinen yliopisto & Laskennallisen nanotieteen huippuyksikkö (COMP) Aalto yliopisto
Sisällysluettelo Kemian Nobelin palkinnon historiaa Nobelistit Vuoden 2013 palkinnon perusteet Tietokonesimulaatiot, mallinnus, supertietokoneet Simulaatiomenetelmiä, esimerkkejä, multiskaalamallinnus QM/MM-menetelmä Esimerkkejä: Au-nanopartikkelit, liuotetut elektronit 2
Kemian Nobel Kemia oli Alfred Nobelin työn ja keksintöjen kannalta kaikista olennaisin tieteenala, ja se on mainittu toisena alana hänen testamentissaan. Palkinto jaettu v. 1901 lähtien 105 kertaa (poikkeuksena vuodet 1916, 1917, 1924, 1933, 1940, 1941, 1942) 166 palkinnon saajaa, 63 kertaa yhdelle henkilölle, vain 4 kertaa naiselle (M. Curie), 1 henkilö saanut kahdesti (F. Sanger) Keski-ikä 58 vuotta, nuorin 35 (F. Joliot) ja vanhin 85 (J.B. Fenn 2002) Artturi Ilmari Virtanen v. 1945, "tutkimuksistaan ja keksinnöistään maatalous- ja ravintokemian alalla, erityisesti hänen rehunsäilytysmenetelmästään à AIV-rehu Kvanttikemiallisista laskentamenetelmistä Nobel 1998, W. Kohn, J. Pople 3
Kemian Nobel 2013 for the development of multiscale models for complex chemical systems monimutkaisten kemiallisten systeemien multiskaalamallinnusmenetelmien kehittämisestä??? 4
Nobelistit: Martin Karplus Yhdysvaltain ja Itävallan kansalainen Syntynyt 1930 in Wienissä Ph.D. 1953, California Institute of Technology, CA, USA Professeur Conventionné, Université de Strasbourg, France; Theodore William Richards Professor of Chemistry, Emeritus, Harvard University, Cambridge, MA, USA 5
Nobelistit: Michael Levitt Yhdysvaltojen, Iso-Britannian ja Israelin kansalainen Syntynyt 1947 Pretoriassa, Etelä-Afrikassa Ph.D. 1971, University of Cambridge, UK Robert W. and Vivian K. Cahill Professor in Cancer Research, Stanford University School of Medicine, Stanford, CA, USA 6
Nobelistit: Arieh Warshel Yhdysvaltojen ja Israelin kansalainen Syntynyt 1940, Kibbutz Sde- Nahum, Israel Ph.D. 1969, Weizmann Institute of Science, Rehovot, Israel Distinguished Professor, University of Southern California, Los Angeles, CA, USA 7
Mitä on tietokonemallinnus? Molekyylien mallinnus perustui aikaisemmin fysikaalisiin rakennelmiin, malleihin (esim. pallot ja tikut) Nykyään mallinnus tehdään tietokonesimulaatioita käyttäen, mallinnus on siis siirtynyt ns. kyberavaruuteen Tämän vuoden nobelistit tekivät uraa uurtavaa työtä 1970-luvulla tehokkaiden tietokonemenetelmien kehittämisessä Erityisesti nobelistit ansioituivat klassisen fysiikan ja kvanttimekaniikkaan pohjautuvien menetelmien yhdistämisessä, jonka ansiosta pystymme nykypäivänä tutkimaan monimutkaisia kemiallisia prosesseja, esim. kasvien fotosynteesiä tai katalyysireaktioita autojen pakoputkistossa Tänä päivänä tietokone on kemistille yhtä tärkeä työkalu kuin koeputki. Simulaatioden tarkkuus mahdollistaa, että niiden avulla voidaan ennustaa ilmiöitä ennen kuin varsinaisia kokeita on edes tehty. 8
Luonto Teoreettinen malli Koe Simulaatio Teoria Kokeellinen mittaus Simuloitu ennustus Teoreettinen ennustus Vertailu Luonnonilmiön ymmärtäminen Teorian/mallin testaus 9
Supertietokoneet Tietokonesimulaatiot ovat nykyään rinnakkaistettuja, ja ne vaativat runsaasti laskentaresursseja CRAY XC30 (SISU), CSC Tieteen tietotekniikan keskus, Espoo Cray XC30 supertietokoneen ensimmäinen vaihe käsittää neljä kabinettia, joihin on asennettu 1472 kappaletta 2.6 GHz E5-2670 suoritinta, kussakin 8 laskentaydintä. Näistä 11776 laskentaytimestä saadaan yhteensä 244 TFlop/s teoreettinen maksimiteho. Kahden prosessorin (16 ytimen) laskentasolmut on yhdistetty Crayn nopealla Aries kytkentäverkolla, joka mahdollistaa koko koneen suuruiset rinnakkaistyöt. Sisun toinen vaihe asennetaan vuonna 2014, jolloin laskentakapasiteetti ylittää petaflopin sekunnissa. 10
Jatkoa IBM Blue Gene/Q (JUQUEEN) supertietokone Forschungszentrum Jülichissä, Saksassa Numero 1 Euroopassa, TOP10 maailmassa Prosessori: IBM PowerPC A2, 1.6 GHz, 16 ydintä per noodi 28 672 noodia, 458 752 laskentaydintä Huipputeho 5.9 Pflop/s Supertietokoneet kuluttavat valtavasti sähköä, ja niiden jäähdytys aiheuttaa rakennusteknisiä haasteita. Lisäksi ne vanhenevat jopa muutamassa vuodessa. 11
Mallinnus- / simulaatiomenetelmiä Kvanttikemialliset menetelmät Atomitason simulaatiot Schrödingerin yhtälö, elektronit mukana, raskas Monte Carlo -menetelmät Molekyylidynamiikkaa (MD tai MM) atomitasolla, Newtonin lait Karkeutetut mallit Satunnaisluvut määräävät systeemin muutokset Atomitason kuvaus menetetty, laskennallisesti nopeita 12
Kvanttikemialliset simulaatiot: esimerkki ATP:n hydrolyysi (reaktio) aktiinissa ~200 atomia, elektronit mukana J. Akola & R. O. Jones, 2006 13
Atomitason simulaatiot: esimerkki 1 Cholesterol modulates glycolipid conformation and receptor activity. Nature Chemical Biology 7, 260-262 (2011). Prof. Ilpo Vattulaisen ryhmä, TTY, Fysiikan laitos 14
Atomitason simulaatiot: esimerkki Atomic-Level Characterization of the Structural Dynamics of Proteins Science 330, 341 (2010). David E. Shaw n ryhmä (D.E. Shaw Research, New York) A B Kaksi proteiinia, jotka laskostuvat 68 µs ja 37 µs kuluessa simulaatiossa Sininen: simulaatio; Punainen: kokeellinen rakenne 15
Multiskaalamallinnus 1 Jatkumomallit Aika (s) 10-3 10-6 10-9 MM Monte Carlo karkeutetut Finite elements = hilamalli 10-12 QM 10-15 10-12 10-9 10-6 10-3 1 Linear size (m) Pituusskaala (m) 16
Lisää atomiryhmiä, molekyylejä Aika elektronit mukana simulaatioita atomitasolla = jatkumo = karkeutus = MD tai MM, molekyylidynamiikka tai -mekaniikka = kvanttikemia, QM Pituus 17
QM/MM-menetelmä Yhdistetään kvanttikemian (QM) ja molekyylidynamiikan (MM) menetelmät Kaksi aluetta, joissa käytetään eri menetelmiä + vuorovaikutus näiden alueiden välillä (vaikein osuus) Ainoastaan tärkein osa kuvataan kvanttikemiallisesti QM: 1-100 atomia rajapinta MM: 1000-1000000 atomia 18
Esimerkkejä QM/MM-simulaatioista Kasvien yhteyttäminen, fotosynteesi L. Guidoni, King s College, Lontoo 19
Kultananopartikkeli vedessä Kvanttimekaniikka: Kultananopartikkeli (klusteri), jossa on 25 kulta-atomia (vihreät pallot) 18 orgaanista sivuryhmää (lakritsi) Klassinen fysiikka: Suolaa (natrium), vesimolekyylejä (paljon) 20
Proteiini ja Au-nanopartikkeli 21
Reaktio atomitasolla Pyrimme linkittämään nanopartikkelin proteiiniin à muodostetaan niiden välille Au-S sidos Tämän seurauksena nanopartikkelin pinnalla yksi Au-S rikkoutuu, ja lopulta yksi pinnan molekyyleistä irtautuu 22
Ylimääräinen elektroni vedessä Liuotettu elektroni Ennen Muodostuu säteilytyksen tuloksena, (esim. Olkiluoto) Pariutuu lopulta protonin H + kanssa, ja muodostaa vetyatomin, H à H 2 kaasua Elektroni ja ympäröivä vesi (33 kpl) à QM-simulaatio Jälkeen Muu vesi kuuluu MMsimulaatioon 23