Chemische Reaktionen sind der Kern von allem, was im Universum passiert. Von der Kernfusion, die die Sonne antreibt, bis hin zur Bekämpfung von Lungenentzündungen durch Antibiotika hängt alles davon ab, was passiert, wenn Moleküle zusammenstoßen und miteinander interagieren, um neue Verbindungen zu bilden.

Der Chemiker Ernesto García von der Universität des Baskenlandes in Vitoria (Spanien) hat seine akademische Laufbahn dem Verständnis chemischer Reaktionen aus einer theoretischen Perspektive gewidmet. „Mein wichtigstes wissenschaftliches Ziel ist es, die Effizienz molekularer Prozesse, bei denen Moleküle zusammenstoßen, um zu reagieren, zu dissoziieren, Energie auszutauschen und sich zu verformen, genau zu berechnen“, sagt García.

García erstellt Berechnungsmodelle zur Beschreibung von Reaktionen, die für die Untersuchung natürlicher Phänomene oder industrieller Prozesse wichtig sind. Gute theoretische Modelle zur Vorhersage des molekularen Verhaltens bedeuten, dass die Simulationen realistisch und nützlich sind, um Forschungsprobleme in der realen Welt anzugehen.

Genaue Modelle für molekulare Kollisionen berücksichtigen viele Arten von Parametern (z. B. kinetische Energien, die Form der Moleküle, thermische Eigenschaften). García verwendet einen Arbeitsablauf namens Grid Empowered Molecular Simulator (GEMS), um die Berechnungen zu rationalisieren.

GEMS wurde vom Team von Antonio Laganà an der Universität von Perugia in Italien entwickelt und wird durch Hochdurchsatz-Rechenressourcen angetrieben, die von der CompChem Virtual Organisation zur Verfügung gestellt werden.

In den letzten vier Jahren hat García an Projekten gearbeitet, die von der Astronomie über die angewandte Chemie bis zur Atmosphärenforschung reichen. Er hat etwa 2,5 Millionen Jobs für insgesamt 31 Millionen CPU-Stunden eingereicht und acht Arbeiten in begutachteten Fachzeitschriften veröffentlicht sowie eine Vielzahl von Ergebnissen, die noch auf ihre Veröffentlichung warten.

GEMS in Aktion

Chemische Entwicklung interstellarer Wolken

Interstellare Wolken sind Ansammlungen von Gas, Plasma und Staub, die über das Universum verstreut sind. In Rampino et al. 2016 untersuchten Garcia und sein Team, wie die Temperatur ihre chemische Entwicklung beeinflusst.

Das Team modellierte die Bildung von C2+ (ein Ion mit einer chemischen Bindung zwischen zwei Kohlenstoffatomen und daher ein Vorläufer längerer Kohlenwasserstoffketten) aus einem Kohlenstoffatom und dem Methylidin-Radikal CH+ (das im interstellaren Raum allgegenwärtig ist) und fand etwas Überraschendes: Seine Bildungsraten in den interstellaren Wolken unterscheiden sich um mehrere Größenordnungen von den Werten, die in aktuellen astronomischen Modellen verwendet werden.

Modellierung von Stickstoffplasmen

In Esposito et al. 2017 modellierte das Team Stickstoffplasmen, wie sie Raumschiffe umgeben, wenn sie in die Erd- oder Titanatmosphäre eintreten. Unter diesen Umständen kann die Temperatur Zehntausende von Grad erreichen.

Dank des EGI-Gitters war es möglich, die kollisionsinduzierte Dissoziationsrate der Stickstoffmoleküle in mehreren schwingungsangeregten Zuständen durch Stöße sowohl mit Stickstoffatomen als auch mit Stickstoffmolekülen zu berechnen.