Modellierung von molekularen Wechselwirkungen

Der Forscher Alexandre Tkatchenko untersucht die Wechselwirkungen zwischen Molekülen, die die Eigenschaften und das Verhalten von Stoffen beeinflussen.

„Viele alltägliche Phänomene, die wir für selbstverständlich halten, zum Beispiel das Gefrieren von Wasser oder die Wirkungsweise von Medikamenten, mit denen Krankheiten behandelt werden, werden bestimmt durch quantenmechanische Wechselwirkungen“, erklärt Prof. Dr. Alexandre Tkatchenko von der Forschungsabteilung „Physics and Materials Science“ an der Universität Luxemburg seine Arbeit. „Dennoch ist unser Verständnis von grundlegenden molekularen Wechselwirkungen in großen Systemen noch sehr begrenzt.“

Im Rahmen seines Projektes sollen moderne Methoden entwickelt werden, um Modelle von Stoffen zu erstellen, die sich aus Tausenden von Molekülen zusammensetzen. „Mit diesen Modellen werden wir in der Lage sein, das Verhalten solch großer Molekülstrukturen so genau und effizient wie nie zuvor vorherzusagen.“

Mit dem renommierten „Consolidator Grant“ des Europäischen Forschungsrats ausgezeichnet

Langfristig hofft Tkatchenko, Methoden zu entwickeln, die die Entwicklung intelligenter und reaktiver Materialien unterstützen, beispielsweise molekulare „Maschinen“, die in der personalisierten Medizin, im Umweltschutz, im Bereich der Energiespeicherung und im Transportwesen eingesetzt werden können.

Vor kurzem ist der Wissenschaftler mit dem renommierten „Consolidator Grant“ des Europäischen Forschungsrats (ERC) ausgezeichnet worden. Er erhält für fünf Jahre rund 1,8 Millionen Euro an Forschungsgeldern für sein Forschungsprojekt „Beyond Static Molecules: Modeling Quantum Fluctuations in Complex Molecular Environments“ (BeStMo). Nach dem „Starting-Grant“, der von 2011 bis 2016 lief, ist dies bereits der zweite ERC-Grant, den Tkatchenko erhalten hat.

In den letzten fünf Jahren entwickelte seine Forschungsgruppe Methoden zur Modellierung sogenannter „Van-der-Waals-Kräfte“, die zwischen Molekülen oder Atomen wirken. Diese Methoden werden inzwischen weltweit in Computerprogrammen zur Modellierung von Materialien verwendet und sollen als Grundlage für das BeStMo-Projekt dienen. Mit den neuen Forschungsgeldern will die Forschungsgruppe quantenmechanische Modellierungsmethoden für alle bekannten intermolekularen Wechselwirkungen entwickeln und physikalische Modelle mit „Machine Learning“ (künstliche Intelligenz) verbinden, um neue Phänomene in komplexen molekularen Systemen zu entdecken.

Entwicklung molekularer Simulationswerkzeuge der nächsten Generation

Gemeinsam mit Forschern der Technischen Universität Berlin und des Fritz-Haber-Instituts der Max-Planck-Gesellschaft entwickelte Tkachenko einen Computer-Algorithmus, der chemischen Daten nutzt, um neue Einblicke in komplexe molekulare Systeme zu ermöglichen. Ihre Ergebnisse haben die Forscher im Januar 2017 in der renommierten Fachzeitschrift „Nature Communications“ veröffentlicht.

„Wir möchten die Vorhersagekraft unserer Methoden beweisen, indem wir sie bei anspruchsvollen, für die Gesellschaft relevanten Problemen, wie zum Beispiel bei der Interaktion von Medikamenten mit Rezeptoren, der Dynamik von Wasser oder der Wolkenbildung anwenden“, erklärt Tkatchenko und fügt hinzu: „Das Beste daran, dass wir den ERC-Grant gewonnen haben, ist, dass meine persönliche Vision nun in die Tat umgesetzt werden kann“, sagt er.

„Dies soll geschehen, indem wir ein starkes Team hervorragender Wissenschaftler zusammenstellen, das auf ein gemeinsames Ziel, die Entwicklung molekularer Simulationswerkzeuge der nächsten Generation, hinarbeitet. Ich bin der Universität Luxemburg sehr dankbar. Sie hat sehr viele wichtige Schritte unternommen, um zum Erfolg meiner ERC-Bewerbung beizutragen.“

Autor: University of Luxembourg
Foto © Michel Brumat / University of Luxembourg