Chemische reacties staan aan de basis van alles wat er in het heelal gebeurt. Van de thermonucleaire fusie die de zon van energie voorziet tot de manier waarop antibiotica helpen longontsteking te bestrijden, alles hangt af van wat er gebeurt wanneer moleculen botsen en op elkaar inwerken om nieuwe verbindingen te vormen.

Chemist Ernesto García, verbonden aan de Universiteit van Baskenland in Vitoria (Spanje), heeft zijn academische carrière gewijd aan het begrijpen van chemische reacties vanuit een theoretisch perspectief. “Mijn belangrijkste wetenschappelijke doel is het nauwkeurig berekenen van de efficiëntie van moleculaire processen waarbij moleculen botsen om te reageren, te dissociëren, energie uit te wisselen en te vervormen”, zegt García.

García maakt computermodellen om reacties te beschrijven die van belang zijn voor het bestuderen van natuurverschijnselen of industriële processen. Het hebben van goede theoretische modellen om moleculair gedrag te voorspellen betekent dat simulaties realistisch en nuttig zullen zijn om onderzoeksproblemen in de echte wereld aan te pakken.

Nauwkeurige modellen van moleculaire botsingen houden rekening met veel soorten parameters (bijvoorbeeld kinetische energieën, de vorm van de moleculen, thermische eigenschappen). García gebruikt een workflow genaamd Grid Empowered Molecular Simulator (GEMS) om het rekenwerk van de berekeningen te stroomlijnen.

GEMS is ontwikkeld door het team van Antonio Laganà aan de universiteit van Perugia in Italië en wordt gevoed door High-Throughput Compute resources die beschikbaar worden gesteld door de CompChem Virtual Organisation.

In de afgelopen vier jaar heeft García gewerkt aan projecten variërend van astronomie tot toegepaste chemie en atmosferische wetenschap. Hij heeft ongeveer 2,5 miljoen jobs ingediend voor een totaal van 31 miljoen CPU-uren en acht papers gepubliceerd in peer-reviewed tijdschriften en een heleboel resultaten in afwachting van publicatie.

GEMS in actie

Chemische evolutie van interstellaire wolken

Interstellaire wolken zijn amalgamaties van gas, plasma en stof, verspreid over het heelal. In Rampino et al. 2016 onderzochten Garcia en zijn team hoe de temperatuur hun chemische evolutie beïnvloedt.

Het team modelleerde de vorming van C2+ (een ion met een chemische binding tussen aan koolstofatomen en dus een voorloper van langere koolwaterstofketens) uit één koolstofatoom en het methylidineradicaal, CH+ (alomtegenwoordig in de interstellaire ruimte) en ontdekte iets verrassends: de vormingssnelheden ervan in de interstellaire wolken zijn verscheidene orden van grootte verschillend van de waarden die in de huidige astronomische modellen worden gebruikt.

Modellering van stikstofplasma

In Esposito et al. 2017 modelleerde het team stikstofplasma’s, zoals die welke ruimtetuigen omringen wanneer ze de atmosfeer van de aarde of Titan binnenkomen. Onder deze omstandigheden kan de temperatuur oplopen tot tienduizenden graden.

Dankzij het EGI-rooster was het mogelijk om de botsingsgeïnduceerde dissociatiesnelheid van de stikstofmoleculen in verschillende vibrationele aangeslagen toestanden te berekenen door botsingen met zowel stikstofatomen als stikstofmoleculen.