A kémia ugyan hagyományosan kísérleti tudomány, 21. századi jövőjét a modern mérési technikák fejlődése mellett Czakó Gábor a kémiai folyamatok számítógépes szimulációjában látja. Ennek oka, hogy az általa képviselt új számításos kémia esetenként már pontosabb, de rendszerint olcsóbb és gyorsabb előrejelzésekre képes, mint a gyakran drága és hosszadalmas kísérleti mérések. A számítás alapú szimuláció alkalmazása egyre terjed, ma már gyógyszermolekulákat is úgy fejlesztenek, hogy a többezer lehetséges hatóanyagot először számításos módszerekkel vizsgálják, csökkentve így a hatóanyagok körét és megspórolva a költséges kísérleteket.

Terepasztal, atomokkal

Az új kutatási szemlélethez egyszerre szükséges a hagyományos kémia és az atomi szintű fizika ismerete, valamint a matematikai módszerek és algoritmusok fejlesztői tudása. E tipikusan interdiszciplináris kutatásnak jelenleg is tart az úttörő szakasza; Czakó Gábor szerint az 1970-es évek óta évtizedenként egy atommal bővültek a kémiai rendszerek, amelyekben elméleti számítással pontosan le tudták írni a reakciókat. Czakó Gábor és kutatócsoportja e téren a jegyzett nemzetközi élvonalba tartozik, ami azt jelenti, hogy nem sok kutatócsoport van a világon, amelyben a reakciódinamikai szimulációkat hatékonyan és pontosan tudják elvégezni. A sikert jellemzi, hogy az eredeti kutatási eredményeket publikáló rangos Nature Chemistry folyóirat az SZTE Czakó-csoportjának már harmadik cikkét közli.

Czakó Gáborék célja, hogy egyre hatékonyabban, egyre több atomból álló rendszert tudjanak nagy pontossággal vizsgálni. A kutató szerint az ilyen szimulációk számítási nehézségét az jelenti, hogy a rendszer méretével exponenciálisan nő a számítási idő. Az újabb atomokkal a kémiai rendszerben új elektronok jelennek meg, amelyeknek leírásához a kvantummechanika hullámfüggvényeivel kell dolgozni. Mivel ezeknek nincs egyszerű megoldása, a kutatók milliárdos számú numerikus művelet számítógépes elvégzése után kapják meg az atommagok mozgását meghatározó energiakörnyezetet. Ezt úgy kell elképzelni, szemlélteti Czakó Gábor, mint egy terepasztalt, amelynek domborzatát az elektronok energiája adja. Rajta a választott számú atommag mozgását (mivel ezeknek tömege általában több tízezerszer nagyobb, mint az elektronoké) már a klasszikus fizika egyenletei alapján lehet kalkulálni. E szimulációs körülmények között vizsgálják azután a kémiai kötések átrendeződését, a kémiai reakció útjait, termékeit, sebességét és más jellemző tényezőit.

Pontosabban, mint a modern kísérletek

A Czakó-csoport legutóbbi Nature Chemistry-beli cikkében olyan reakciót vizsgált (a fluorid-ion és az etil-klorid reakcióját), amelyet egyidejűleg az Innsbrucki Egyetem Ionfizikai és Alkalmazott Fizikai Intézetében élenjáró kísérleti technikával el is végeztek. Innsbruckban atomi szinten tudták mérni, hogy mi történik egy ion és egy molekula egyenkénti ütközésekor; ezért ez a kísérlet a hagyományos kémiai kísérleteknél mélyebb betekintést adott a reakció folyamatába. A szegedi kutatócsoport az innsbrucki kísérleti eredmények ismerete nélkül végzett számításai nemcsak, hogy helyesen jelezték előre a reakció lefolyását, hanem olyan reakcióutakat is kimutattak, amelyeket a kísérlet nem tudott megkülönböztetni. – A vizsgált reakcióban 2 fontos termékcsatorna van: egyiket helyettesítéses, másikat eliminációs reakcióútnak hívjuk. Ezekben különböző termékek keletkeznek. A töltéssel rendelkező reakciótermék mindkét esetben ugyanaz, a klorid-ion. Az egyik reakcióúton a klorid-ion mellett egy etil-fluorid molekula, a másiknál pedig egy hidrogén-fluorid és egy etilén molekula keletkezik. Az innsbrucki kísérletek azonban csak a töltéssel rendelkező termékrészecskét tudták detektálni, vagyis kísérletileg nem tudták megkülönböztetni ezt a két reakcióutat. Ezzel szemben mi elméleti úton egyértelműen látjuk, melyik termék milyen úton keletkezik. Ezért a számításaink főszerepet játszottak e közös projektben – magyarázza kutatási eredményüket Czakó Gábor.

Dr. Czakó Gábor (SZTE TTK)
Fotó: Bobkó Anna

Pályája elején számított-e arra, hogy a számítógépes kémia ilyen eredményes kutatási terület lesz? Reméltem, válaszolja Czakó Gábor. – Még egyetemi hallgatóként, 2001 környékén kezdtem elméleti kutatásokkal foglalkozni és a diplomamunkát is ilyen jellegű számításokból írtam. Akkor még kisebb rendszerekkel, 3-4 atomos molekulák rezgéseivel, forgásaival foglalkoztam. 2008-ban kikerültem Atlantába, az Emory Egyetemre, ahol posztdoktorként kezdtem az elméleti kémia reakciókra történő alkalmazását kutatni 6 atomos rendszerekkel. Világossá vált, hogy az elméleti kémia már van annyira fejlett, hogy reakciókat lehet vele modellezni. A kísérleti eredményekkel összevetve általában jó egyezést kaptunk. Ez függ persze a módszerektől is, nem mindenki kap azért jó egyezéseket; jól is kell csinálni a szimulációkat. Négy évet dolgoztam az Egyesült Államokban és hazatérve elkezdtem a reakciódinamikai szimulációval kapcsolatos kutatásaimat. Kutatócsoportommal szerintem most már eljutottunk oda, hogy nemzetközi szinten is tényleg élen járunk ezen a területen, nem véletlenül működik velünk együtt az innsbrucki csoport, akik a kísérleti területen szintén élvonalba tartoznak.”

Iskolaalapítás, kutatócsoport-építés

Mostanra már elmondható, hogy Czakó Gábor a számítógépes kémiából iskolát alapított a Szegedi Tudományegyetemen. – Ezért is jöttem szívesen Szegedre – mondja. – 2015-ben kerültem a Fizikai Kémia és Anyagtudomány Tanszékre, Dr. Tóth Ágota tanszékvezető hívására. Mivel korábban ilyen jellegű kutatás nem volt Szegeden, és az elméleti kémia sem volt kitüntetett iránya az itteni kémiai intézetnek, így valóban iskolateremtő feladattá is vált számomra, hogy kineveljük a hallgatókat, későbbi oktatókat, akik kutatómunkát végezhetnek. Ezért próbálok az oktatásban is részt venni, új kurzusokat szervezni, hogy az alapokat, amelyek a kutatáshoz szükségesek, akár az egyetemi tanulmányok során is elsajátítsák a hallgatók. Szívesen vesszük, ha csatlakoznak a kutatócsoporthoz szakdolgozók, diplomamunkások, PhD hallgatók, posztdoktori kutatók. Eddig is szépen gyarapodott a csoport, néhány éve már 20 fő körül van a létszáma, a BSc hallgatóktól a posztdoktorokig. A mesterképzés során sem tanulnak meg mindent a hallgatók, ami a számításos kémia alkalmazásához és fejlesztéséhez, vagyis a kutatómunkához szükséges; így a csoporton belül tanítjuk meg őket. Részben magam, részben a senior munkatársak foglalkoznak a fiatalabbakkal, azzal a céllal, hogy hazai és nemzetközi szinten jelentős elméleti iskola alakuljon ki. Akik itt tanultak, később alap- vagy alkalmazott kutatásban, illetve kémiai modellezéssel foglalkozó cégeknél is el tudnak helyezkedni. Manapság már nemcsak az elméleti csoportokban lehet ilyen munkát végezni, hanem egy szintézis vagy mérés előtt sok kísérleti csoportban is szükség van előzetes elméleti számításokra – biztat Czakó Gábor.

SZTEinfo - Panek Sándor

A borítóképen: Dr. Czakó Gábor egyetemi docens (SZTE Fizikai Kémiai és Anyagtudományi Tanszék). Fotó: Bobkó Anna