Hylleraas Centre for Quantum Molecular Sciences

Hylleraas-senteret har som mål å utvikle og anvende avanserte beregningsverktøy basert på fysikkens lover for å forstå, tolke og forutsi ny kjemi, fysikk og biologi. Vår forskning er svært tverrfaglig med komponenter av matematikk, fysikk, kjemi, biologi og informatikk. Å kontrollere materie på tids- og lengdeskalaen til elektroner (attosekunder og pikometre) er en stor utfordring for vitenskapen i det 21. århundre, og Nobelprisen i fysikk 2023 ble tildelt for utviklingen av attosekund-laserpulser, noe som lar oss "se" og påvirke elektronisk dynamikk i molekyler. Vi utvikler kvantemekaniske metoder for å simulere molekylers interaksjon med slike pulser, inkludert den koblede elektronisk-nukleære dynamikken som forventes å føre til uvanlige kjemiske prosesser. Realistiske simuleringer av slike prosesser går langt utover dagens beste kvantekjemiske metoder og krever beskrivelse av bl.a. relativistiske effekter, ionisering og dissosiasjonsprosesser. Flere programvarepakker er under utvikling for dette formålet. HyQD (Hylleraas Quantum Dynamics)-pakken inneholder beregningsverktøy for nøyaktige, men tidkrevende simuleringer av elektronisk dynamikk, ReSpect (Relativistic Spectroscopy) tilbyr mindre nøyaktige, men rimeligere tilnærminger, og MRChem (Multi-Resolution Chemistry) som gir et real-space-rammeverk for elektroniske simuleringer. Disse verktøyene er for tiden begrenset til relativt små atomer og molekyler. I samarbeid med eksperimentelle kjemikere bruker vi avanserte beregningsmetoder for å forstå og forutsi katalysatorer for bærekraftige kjemiske transformasjoner. Ab initio molekylær dynamikk (AIMD) simuleringer er avgjørende for å forstå endringen i selektiviteten til en Mn-katalysator i reduksjonen av CO2. En mikrokinetisk modell basert på energier beregnet med kvantekjemiske verktøy var i stand til å reprodusere hastighetene i en Pd-katalysert arylamineringsreaksjson ved bruk av aminer. Vi bruker også ab initio molekylær dynamikk for å forbedre forståelsen av en århundregammel syntetisk teknikk for å produsere karbon-karbonbindinger, Grignard-reaksjonen, som er et avgjørende skritt i produksjonen av et bredt spekter av produkter fra miljøvennlig jord berikelse til legemidler. Videre bruker vi kvantekjemiske beregninger for å hjelpe den eksperimentelle karakteriseringen av kjemiske forbindelser, et viktig trinn i enhver kjemisk syntese. Slike beregninger lar oss identifisere deskriptorer som for eksempel tillot oss å rasjonalisere faststoff 19F Nuclear Magnetic Resonance (NMR) signaturen til halogen-stabiliserte nikkel(II)-fluoridkomplekser. NMR-spektroskopi bruker magnetiske felt av noen få tesla. Selv om slike magnetiske felt er sterke sammenlignet med jordens magnetfelt, genereres mye sterkere felt - i størrelsesorden 100 000 tesla - av magnetiske hvite dvergstjerner. Slike felt har en ekstrem effekt på kjemien. Ioner og molekylære systemer som ville være ustabile under vanlige forhold er stabile i sterke magnetiske felt. Nøyaktige kvantekjemiske beregninger er derfor viktige for å forutsi og tolke spektre fra magnetiske hvite dvergstjerner. Dette området utgjør en "stress-test" for kvantekjemiske metoder. Myk materie og biologiske prosesser involverer svært store molekylære systemer og krever flerskalamodellering. I 2023 ga vi ut programvarepakken Hylleraas Molecular Dynamics (HyMD), som er spesielt dedikert til molekylære simuleringer av væsker, polymerer og overflateaktive stoffer. Vi har videre kombinert HyMD med forbedrede statistiske tilnærminger for å etablere en beregningsprotokoll for pålitelig tolkning av eksperimentelle nøytron- og røntgenspredningsdata. Kombinasjonen av simuleringer og eksperimenter gjør det mulig å bestemme strukturen og dynamikken til komplekse systemer som er av avgjørende interesse for grønn kjemi og medisin. Viktig forståelse av biologiske prosesser som enzymatisk aktivitet ved lave temperaturer kommer også fra flerskala simuleringer, som indikerer at vi kan bli i stand til å endre enzymegenskaper på en måte som ligner på naturlig proteinutvikling. Vi har utforsket fremskritt innen kunstig intelligens i kombinasjon med molekylær modellering. For eksempel har maskinlæringsmetoder vært viktig for å forstå fasediagrammet av vann. Generelt fungerer maskinlæring og matematisk analyse som sentrale verktøy ved Hylleraas-senteret. Kunstig intelligens gjør oss i stand til effektivt å utforske det såkalte kjemiske rommet, som er den praktisk talt uendelige samlingen av alle mulige molekyler, blant hvilke det kan være nye forbindelser som kan utnyttes i f.eks. medisinske behandlinger. Dessuten er et viktig aspekt ved vår forskning den matematiske forståelsen av simuleringsverktøy av materie i eksterne elektromagnetiske felt. Hylleraas Software Platform samler de ulike programvarepakkene, beregningsprotokollene og dataanalyseverktøyene utviklet og brukt ved Hylleraas-senteret til ett enkelt programvareøkosystem.

The Hylleraas Centre for Quantum Molecular Sciences will make a decisive, timely contribution to the chemistry, physics and biology of molecules by developing an integrated multiscale approach for complex systems, emphasising matter-field interactions. The emergence of advanced laser technology and fourth-generation light sources creates new opportunities and challenges that require major advances in the modelling of complex systems in extreme environments. The Hylleraas Centre will meet this challenge by developing novel computational methods that will allow us to treat systems containing thousands and even millions of atoms, by unravelling their response to short laser pulses and strong fields, and by exploring processes extending from attoseconds to microseconds. The Hylleraas Centre gathers world-leading expertise in the domains of electronic-structure theory, multiscale modelling, computational spectroscopy, and the use of computation to understand and control complex chemical and biological systems. The centre is uniquely positioned to take the lead in the modelling and understanding of the new scientific frontiers that will be enabled by new experimental facilities. Through an extensive incoming sabbatical programme, a generous visitors programme, focus bienniums, international workshops, conferences, outreach activities and seminar series, the Hylleraas Centre will create an internationally visible and attractive centre for the computational modelling and understanding of new chemistry at the frontiers of a wide range of scientific disciplines. Through the training of PhD students and postdocs, the establishment of national courses in theoretical chemistry and international winter schools, the Hylleraas Centre will educate a new generation of computational scientists skilled to address the new research frontiers. The centre will continue the PIs' longstanding efforts to improve gender balance in theoretical and computational chemistry.