Második alkalommal nyerte el az MTA Lendület Programját, és ezzel együtt ötödik jelentősebb pályázati forrását a BME VBK kvantumkémiával foglalkozó kutatócsoportja.

„Több éve folytatunk kutatásokat a kvantumkémia területén, eredményeink folyamatosan újszerű megközelítésnek számítanak e tudományágban, ahol rekordok felállításán túl számos innovatív megközelítés, gyakorlati alkalmazás és elméleti megvalósítás köthető kutatócsoportunk kollégáihoz. Most újabb ’lendületet’ szeretnénk adni a témának, ugyanis hiszünk abban, hogy sok, még ismeretlen és megválaszolatlan kérdéssel kecsegtet számunkra a kvantumkémia. Kísérletet teszünk a ’határainak kitolására’!” – fogalmazott Kállay Mihály, a BME Vegyészmérnöki és Biomérnöki Kar (BME VBK) Fizikai Kémia és Anyagtudományi Tanszék tanszékvezető egyetemi tanára, valamint a tanszéki Spektroszkópia Csoport, illetve az MTA-BME Lendület Kvantumkémiai Kutatócsoport vezetője. Utóbbi formáció a Magyar Tudományos Akadémia (MTA) Lendület Program „haladó” kategóriájában, immáron második alkalommal nyert támogatást az elkövetkezendő 5 évre.

Kállay Mihály és kutatócsoportja immáron 5. alkalommal részesült nagyobb hazai kutatást támogató programban, ami azt bizonyítja, hogy az általa vizsgált terület jövőbemutató, erről pedig újból meggyőzték a pályázatokat bíráló szakmai grémium tagjait is. „Kvantummechanikai módszerek segítségével olyan számítási módok kifejlesztésén dolgozunk, amelyek kisebb számítási kapacitást igényelnek a jelenleg ismert metódusoknál, így gyorsabb, olcsóbb és pontosabb számításokat tesznek lehetővé. Módszereinket nagyobb molekulák kémiai tulajdonságainak meghatározásához alkalmazzuk (például reakcióhő, aktiválási energia, reakciók sebességét befolyásoló energiakülönbségek kiszámításához stb.). E számítási módszerekkel bizonyos típusú kémiai kísérletek kiválthatók, továbbá megmagyarázható vagy akár előre is jelezhető egyes kémiai folyamatok sebessége, illetve láthatóvá válik, hogy egyáltalán végbemegy-e az adott folyamat, avagy sem” – foglalta össze kutatott szakterülete fontosabb pontjairól a műegyetemi kutatócsoport vezetője.

„A molekulák bizonyos kémiai tulajdonságaira ma már kísérletek végrehajtása nélkül, elméleti úton is következtethetünk. E komplex és nagyon időigényes számításokhoz azonban rendkívül nagy teljesítményű számítógépekre van szükség, ezért leginkább a kisebb méretű molekulákat tudták eddig górcső alá venni a kutatók, míg nagyobb molekulák esetén főként az egyszerűbb trendek meghatározására volt lehetőség. Kutatásainkban arra teszünk kísérletet, hogy e számítógépes módszereket minél nagyobb molekulákra is ki lehessen terjeszteni, illetve a trendek helyett a valósághoz minél jobban közelítő, pontosabb eredményeket kapjunk” – mutatta be a kutatócsoport törekvéseiről Kállay Mihály. A tudományos munka részeként olyan Gauss-függvényeket alkalmaznak, amelyek két elektron távolságától függnek. E tulajdonság kihasználásával csökkenthető az egyenletek megoldásához szükséges függvények száma, amely végeredményben gyorsabb számítást tesz lehetővé. Kállay Mihály kifejtette azt is, hogy a kutatások során módszereket alkotnak meg, közelítéseket dolgoznak ki, továbbá algoritmusokat fejlesztenek ki, amelynek egyik kézzel fogható eredménye a csoport ingyenesen hozzáférhető, néhány havonta új verzióval megjelenő MRCC szoftvere, amelynek ma már több mint 800 felhasználója van szerte a világon különböző tudományterületeken végrehajtott szimulációkhoz, számításokhoz. Legutóbb például ún. az organokatalízis (szerves molekula katalizál egy reakciót) szimulációja során alkalmazták a szoftvert reakciók aktiválási energiájának kiszámítására. A kísérlet célja, hogy a nehézfém tartalmú vegyületeket idővel szervesre váltsák. A műegyetemi kutatók programját használja a Google és a DeepMind is, amelyek többek között neurális hálók betanítását végzik a szoftverrel: több ezer vagy tízezer molekula tulajdonságait számítják, amelyhez minél pontosabb és gyorsabb kvantumkémiai számítások szükségesek.

Kállay Mihály – Akikre büszkék vagyunk című műegyetemi rendezvényen 2022 novemberében

Kállay Mihály és csapata mindezek mellett többszintű közelítéseket, pontosabb módszereket, valamint algoritmusokat dolgoz ki nagy méretű molekulák tulajdonságainak vizsgálatára, azok egyensúlyi szerkezetétől távol, valamint a reakciók sebességének megbecsülésére. Gerjesztett állapotokat, spektrumokat is számolnak, és számítási módszerekkel többek között arra keresik a választ, hogy adott molekula milyen hullámhosszúságú fénnyel gerjeszthető. Például az MRCC szoftver segítségével akadémiai partner kutatócsoport már fluoreszcens, nyomon követhető jelzőmolekulákat és olyan szenzort is tervezett, amelynek csőszerű molekulája a B-vitamin hatékonyabb megkötésére képes az élő szervezetekben.

Kállay Mihály közel három évtizede foglalkozik kvantumkémiai módszerekkel, korábban kisebb molekulák esetében alkalmazható metódusokat fejlesztett, amelyek pontossága szinte megegyezett a kísérleti tapasztalatokkal. Ezen ismereteit most a nagyobb molekulákra szeretné általánosságban kiterjeszteni. Elmondása szerint a világon mindössze 3-4 olyan kutatócsoport létezik, amely hasonló módszerek fejlesztésén dolgozik, elsősorban Németországban és az Egyesült Királyságban. A műegyetemi szakember elárulta, hogy bár tudományos berkekben van „konkurenciájuk”, ám 4-5 független elemző is a BME-s szakemberek módszerét és számítógépes programját vélte a legpontosabb és biztosabb számítási eszköznek.

A közelmúltban elnyert akadémiai Lendület pályázattal kapcsolatban kiemelte, hogy a mostani támogatás két szempontból is nagyon fontos: újabb 5 évre biztosítja a kutatócsoport számára a stabilitást, a személyi költségek forrását, másrészt fiatal kutatókat is sikerült bevonni a tudományos munkába, akik e támogatás révén biztosabb perspektívát láthatnak az akadémiai életpályában és e szakterületben. „Az elméleti kémiai számítások olyan komplex és a maga nemében sajátos szakterületnek számítanak, ahová a klasszikus kémiai laborgyakorlatok iránt kevésbé érdeklődő, ám a matematikai kérdésekre nyitott hallgatókat várunk. Sajnos többségüket – főként informatikai tudásuk miatt – már idejekorán felszippantja az ipar, így kevés esélyünk van megmutatni számukra a kutatócsoportban rejlő szakmai fejlődési lehetőségeket. A szakmai munka mellett törekszünk az utánpótlás-nevelésre is, amelyben reményeink szerint a Lendület is segíteni fog” – fogalmazott Kállay Mihály, aki a jövőben szeretne minél több fiatal szakembert, PhD-hallgatót, érdeklődő műegyetemistát bevonni a vizsgálatokba. A többszörösen díjazott kutató további pályázati lehetőségek felkutatásán is dolgozik, illetve az European Research Council (ERC) felhívására is szeretné benyújtani újabb kutatási tervét.

TZS-KJ

Fotó: Geberle B.