Turkulaistutkija löysi materiaalitieteen ydinkaavalle toimivamman muodon
31.08.2016
Mitä jos osaisimme luoda tehokkaampia aurinkopaneeleja, löytää kemianteollisuudelle harvinaisia metalleja korvaavia materiaaleja, pystyisimme luomaan kevyempiä kulkuvälineitä, pelastamaan luonnon? Kaikkea tuota edesauttaa tohtorikoulutettava Henrik Levämäen luoma materiaalien laskennalliseen mallinnukseen soveltuva menetelmä, joka tekee tiheysfuntionaaliteorian käytöstä aiempaa tarkempaa.
Henrik Levämäellä (toinen vas.) on ollut tukenaan tiimi, johon kuuluvat Ruotsin Kuninkaallisen teknillisen korkeakoulun professori Levente Vitos (vas.), tämän tohtoriopiskelija Li-Yun Tian, Debrecenin yliopiston professori Ágnes Nagy, Tampereen teknillisen korkeakoulun tutkija Matti Ropo sekä oma väitöstutkimuksen ohjaaja, professori Kalevi Kokko (oik.)
Turun yliopiston materiaalitieteen professori Kalevi Kokko ja kollega Ruotsin Kuninkaallisesta teknillisestä korkeakoulusta (KTH) professori, Levente Vitos näkevät Levämäen luomuksen suurena edistysaskeleena tiheysfunktionaaliteorian käytössä. Tiheysfunktionaaliteoria, density functional theory DFT, on kvanttimekaaninen menetelmä mikroskooppisten systeemien elektronirakenteen tutkimiseen. Sen loivat Pierre Hohenberg ja Walter Kohn vuonna 1964 osoittaessaan, että systeemin perustila määräytyy yksikäsitteisesti elektronitiheydestä.
– Kyseessä oli suuri askel laskennalliselle mallintamiselle, mutta kaava jäi hieman vajaaksi. Siihen jäi yksi termi, jonka muotoa ei tunneta, ja sitä tiedemiehet ympäri maailman ovat viimeiset 50 vuotta yrittäneet ratkaista. Toiset ratkaisuesityksistä ovat yksinkertaisia, jotta laskenta olisi nopeaa, mutta silloin tulos ei aina ole niin tarkka. Toiset ovat approksimaatioltaan tarkempia, mutta niiden laskenta on niin raskas, että asia on törmännyt siihen, Kalevi Kokko kuvaa.
Henrik Levämäki onnistui luomaan vaikealle termille uuden approksimaation, joka on aiempia tarkempi ja samaan aikaan pilkottu osiin niin, että laskenta on myös nopeaa.
– Minun silmissäni tämä on yksi DFT:n perustavanlaatuisista askelista. Tämä on avaus jollekin avain uudelle, Vitos sanoo.
Avaimena ongelman pilkkominen
Levämäen väitöstutkimus keskittyy materiaalien ja molekyylien laskennalliseen mallintamiseen. Tutkimuksen ensimmäinen osa on juuri julkaistu tiheysfunktionaaliteoreetikoille tärkeimmässä Physical Review Letters -tiedejulkaisussa. Viikko sitten Levämäki esitteli aihetta käsittelevän posterinsa Yhdysvalloissa, ja tiedossa on jo tulevia konferensseja.
Henrik Levämäki (kuvassa) aloitti työn jo maisteriohjelmassa ja jatkaa sitä nyt tohtorikoulutettavana. Tavoitteena oli muokata edellä mainittu tiheysfunktionaaliteorian hankala termi aiempaa tarkempaan ja käytännöllisempään muotoon. Idea Physical Review Letters -artikkeliin oli alkanut muhia kun Vitosin tohtorikoulutettava Li-Yun Tian (kuvassa) oli alkanut esityksillään ja kysymyksillään kutitella Vitosin ajatuksia uudenlaisella avauksella.Kun Kalevi Kokko yhytti Vitosin ja Levämäen, päästiin toden teolla eteenpäin. Yhteistyössä heräsi ajatus aivan uudenlaisesta approksimaatiosta.
– Useimmat approksimaatiot lähtevät siitä, että fysiikan laeista voidaan johtaa approksimaatiota kuvaava matemaattinen lauseke. Tällä tavoin johdettu approksimaatio onkin universaali mitä tahansa systeemiä tai molekyyliä laskettaessa. Käytännön laskut ovat kuitenkin osoittaneet, että tietyissä tapauksissa tämä lähestymistapa on auttamatta liian ”kankea” ja tarkkoja tuloksia ei voida laskea. Meillä syttyi idea, että mitä jos kehittäisimme kullekin alkuaineelle oman matemaattisen lausekkeen ja näin pilkkoisimme ongelman pienempiin osiin, Levämäki kuvaa.
Levämäki ja hänen tuekseen muodostunut tiimi Kokko, Vitos, Tian, sekä unkarilaisen Debrecenin yliopiston professori Ágnes Nagy sekä Tampereen teknillisen korkeakoulun tutkija Matti Ropo onnistuivat osoittamaan, että metalliseoksille Levämäen menetelmä antaa parempia tuloksia kuin mikään aiemmin luotu approksimaatio.
Nobelistien jalanjäljillä
DFT:n merkitystä kuvaa se, että vuonna 1998 Kohn vastaanotti kemian Nobelin teorian keksimisestä, ja Pople laskennallisten menetelmien kehittämisestä. Kokon mukaan Levämäen löytö auttaa sekä DFT:n teorian edelleen kehittämisessä että soveltavassa tieteessä. Nagy nostaa esimerkiksi mahdollisuuden säästää ympäristöä.
– Meidän ei tarvitse tehdä satoja ja satoja tutkimuksia materiaaleilla vaan voimme laskennallisesti osoittaa asioita, Nagy sanoo.
Ropo luettelee nopeaan tahtiin sovellusmahdollisuuksia: materiaalien laskennallisella mallinnuksella voidaan esimerkiksi parantaa aurinkopaneelien tehoa, tehdä autoista nykyistä kevyempiä ja siten ympäristöystävällisempiä, voimme korvata katalyyteissä käytettävät harvinaiset ja kalliit alkuaineet yleisimmistä ja halvemmista alkuaineista valmistuteilla metalliseoksilla, tehdä aina vain turvallisempia fuusioreaktoreiden materiaaleja, luoda kokonaan uudenlaisia materiaaleja.
– Tutkimukseni liittyy materiaalien ja molekyylien laskennalliseen mallintamiseen. Voimme nyt aiempaa tarkemmalla mallinnuksella tehdä tietokoneella laskuja, joilla on kaksi tavoitetta. Ensinnäkin pyrimme selvittämään, millaisia aineita, materiaaleja, molekyylejä voi olla olemassa. Toiseksi selvitämme, mitkä tekijät ovat niille ominaisia, Levamäki sanoo.
Erja Hyytiäinen