Natur & Technik

KI reduziert Belichtungszeit bei Blick auf chemische Reaktionen

Der Blick auf chemische Reaktionen, die durch Licht angestoßen werden, wird durch die Tatsache getrübt, dass dabei Effekte der Quantenmechanik zum Tragen kommen. Will man die Abläufe berechnen, wird dies sehr aufwendig. Wiener Chemiker haben nun mithilfe von Künstlicher Intelligenz (KI) einen Weg gefunden, die Rechenzeit stark zu reduzieren und berichten darüber im Fachblatt "Chemical Science".

Das Team um Philipp Marquetand und Julia Westermayr von der Fakultät für Chemie der Universität Wien und Kollegen aus Berlin haben eine KI auf Basis sogenannter künstlicher neuronaler Netze darauf trainiert, die mathematischen Anforderungen zu reduzieren. Solche Netze bilden im Prinzip den Aufbau des menschlichen Gehirns nach, was den Systemen ermöglicht, sich selbstständig im Umgang mit Daten umzuorganisieren - also maschinell zu lernen. "Wir bringen unserem neuronalen Netz die komplexen quantenmechanischen Beziehungen bei, indem wir vorher ein paar wenige Rechnungen durchführen und das Wissen an das neuronale Netz weitergeben", so Westermayr in einer Aussendung.

Bisher konnten Forscher fotoinduzierte Prozesse nur über extrem kurze Zeiträume in Computersimulationen nachverfolgen. Schon für die Analyse von Abläufen, die lediglich Pikosekunden (das ist der billionste Teil einer Sekunde) dauern, waren Rechenzeiten von mehreren Monaten nötig - was "extrem rechen- und damit auch kostenintensiv ist", so Marquetand.

Test anhand von Methylenimmoniumkation

Ihren neuen Ansatz, der nun Betrachtungen im Nanosekunden-Bereich und damit um Größenordnungen länger als bisher ermöglicht, testeten die Wissenschafter anhand des Moleküls Methylenimmoniumkation. Dabei handelt es sich wiederum um ein Element des größeren Moleküls Retinal, das eine wichtige Rolle beim Sehen spielt. Westermayr: "Nach zwei Monaten Rechenzeit konnten wir die Reaktion im Zeitraum von einer Nanosekunde abbilden; auf Basis bisheriger Verfahren hätte die Simulation ca. 19 Jahre gedauert."

Das sei ein großer Fortschritt, da in diesem zeitlichen Bereich viele wichtige Reaktionen ablaufen: "Das von uns präsentierte Vorgehen kann man im Prinzip auf verschiedenste kleinere Moleküle - darunter DNA-Bausteine und Aminosäuren - anwenden", sagte Marquetand. Als nächstes haben sich die Forscher beispielsweise die Aminosäure Tyrosin vorgenommen, die im Verdacht steht, dass ihre Schädigung unter Einfluss von Licht zu Blindheit und Hautalterung führen könnte.

Service: https://doi.org/10.1039/C9SC01742A