Niels Kristian Kjærgård Madsen har med forbedrede ligninger til beregning af molekylers kvantedynamik skabt et grundlag for at studere kemiske reaktioner nærmere.

For ph.d. i teoretisk kemi Niels Kristian Kjærgård Madsen ligger svarene på alle hans spørgsmål dybest set gemt i kvantefysikeren Erwin Schrödingers berømte ligning fra 1925. Også spørgsmål af vældig bred interesse:

”Teknologisk udvikling er afhængig af, at vi forstår, hvordan molekyler opfører sig og vekselvirker med hinanden. Det gælder f.eks. i lægemiddelindustrien og ved udvikling af grønne løsninger til energiforsyning. Men molekylerne ser vi jo ikke i et mikroskop. I stedet kan vi ved hjælp af Schrödinger-ligningen simulere, hvad der foregår i molekylerne,” siger Niels Kristian Madsen.

Selvom den ligning har været anvendt i snart 100 år, har man hidtil ikke rigtigt forløst potentialet i forhold til simulation af atomkerners indbyrdes bevægelser, deres kvantedynamik. I kvantemekanik generelt er man længere fremme med beregning på elektroner, men vil man forstå, hvad der sker i en kemisk reation, har man i høj grad også brug for også at se på kernerne.
Denne mangelsituation ser Niels Kristian Kjærgård Madsens ph.d.-projekt ud til at kunne rokke ved.

Forbandelsen er brudt

Han har vist, hvordan nye kvantedynamiske beregningsmetoder kan ”bryde dimensionalitetens forbandelse”, som titlen på afhandlingen formulerer det. Dette refererer til en slags mur, man kan støde imod undervejs, og som sætter en stopper for, hvad man i praksis kan udføre.

”Med Schrödingers ligning kan vi foretage ret nøjagtige beregninger på et molekyle med fire atomer. Problemet er bare, at for hvert atom vil kompleksiteten i beregningen med de gængse metoder vokse eksponentielt. I det konkrete tilfælde vil man ramme muren, så snart man forsøger sig med et fem-atomers molekyle,” forklarer Niels Kristian Kjærgård Madsen.

Alternative modeller, som tidligere er foreslået, vil kunne tilnærme sig en beregning på større molekyler, men med utilfredsstillende nøjagtighed.

”Vi er lykkedes med at udvikle metoder, der har høj nøjagtighed, og som samtidig kan anvendes på større og mere relevante kemiske problemstillinger. De fungerer sådan, at i stedet for at skalere eksponentielt, så det f.eks. bliver 1.000 gange mere beregningstungt, når blot man tilføjer ét atom, så skalerer de i stedet polynominelt, sådan at det med et dobbelt så stort molekyle måske kun er 10 gange tungere.”

Også for ikke-eksperter

Niels Kristian Kjærgård Madsen fortæller, at forskergruppens banebrydende resultater naturligvis blev skabt i fællesskab, men han tøver ikke med at tage æren for, at teorien blev pudset af og de rigtige variationer af Schrödinger-ligningen udviklet.

”Gruppen har efterfølgende arbejdet videre med at skrive et program, der kan løse ligningerne hurtigere. Dét er også et vigtigt arbejde, for forskningen vil især have en bredere anvendelighed, hvis vi faktisk tilbyder software, som tiltaler både eksperter og ikke-eksperter,” siger Niels Kristian.

Han ved, hvordan kvantekemiforskning reelt bliver anvendt i virksomheder i branchen, for efter sin ph.d. har han selv arbejdet med softwareudvikling i to forskellige af slagsen.

I videoen nedenfor fortæller Niels Kristian Kjærgård Madsen om sin forskning og om prisen.

Ph.d.-priser uddeles for 20. gang

AUFF’s talentpris går til en række nye ph.d.’er, som inden for hver deres fag har vakt ekstraordinær opsigt for deres resultater og deres formidling af dem. Som en anerkendelse af indsatsen modtager de hver 50.000 kr.

Proceduren for indstilling til prisen er den, at hvert fakultet anbefaler et antal af deres nye forskertalenter til at modtage prisen. Herefter udvælger universitetet og Forskningsfonden i fællesskab de bedst egnede. I den sammenhæng har udvalget kigget på den overordnede indsats i løbet af forskeruddannelsen og altså ikke blot selve afhandlingen.

I år uddeles prisen til en antropolog, en læge, en psykolog, en teoretisk kemiker og en softwareingeniør. De har bidraget med ny viden om psykisk sårbare unges fælleslæsning af skønlitteratur, behandling af hjertestop på hospitaler, følelsesmæssig udvikling i voksenalderen, kvantekemisk metodeudvikling og effektiv IoT-dataoverførsel. Alle fem prismodtagere beskæftiger sig stadig med forskning, de første tre i forskerstillinger og de to sidste som ansatte i forskningsbaserede virksomheder.