A cél a „spektropédia”
A spektroszkópiai adatbázisok gráfelméleti megközelítése a tudományterület új fejezetét nyithatja meg. Az ELTE Kémiai Intézet kutatócsoportjának eredményeit a világ tudós közössége is megkülönböztetett érdeklődéssel fogadta. A molekulaspektroszkópiai kutatás az „Európai Léptékkel a Tudásért, ELTE” projekt keretében valósul meg. A kutatócsoport tagjával Furtenbacher Tibor tudományos munkatárssal beszélgettünk.
„A spektroszkópia (színképelemzés) az anyag és a fény kölcsönhatásával foglalkozó tudományág. Lényege, hogy egy adott mintát besugárzunk valamelyik frekvenciatartományba (például infravörös, látható vagy ultraibolya) tartozó fénnyel, melynek eredményeként a molekulákra egyedien jellemző elnyeléseket, egy vonalhalmazt, úgynevezett spektrumot kapunk. A spektroszkópiai kísérletek azt mérik, hogy a víz mely frekvenciákon milyen intenzitással nyel el. Az egyszerű, háromatomos vízmolekula esetében körülbelül egymilliárd ilyen vonal megjelenéséről beszélhetünk. A kapott spektrumokat értelmezni kell, az egyedi vonalakat asszignálni kell, „fel kell címkézni”, mely manapság a kvantumkémia feladata” – részletezte Furtenbacher Tibor.
A kvantumkémia a kvantummechanika kémiai alkalmazása, elméleti alapon számítógépes módszerekkel vizsgálja a molekulák természetét. A kvantumkémiának két ága van: az elektronszerkezet-, illetve a molekulamozgás-számítás. „A kutatócsoportban mi az utóbbival foglalkozunk. A molekuláknak alapvetően három mozgási formája van, melyek közül a molekulák rezgését és a forgását tanulmányozzuk ab initio programokkal, azaz kísérlettől független algoritmusokkal számoljuk ki az adott molekula rezgési-forgási energiaszintjeit és az ezeken alapuló színképeit. A két energiaszint között megvalósuló átmenetek alkotják a spektrumokat. Az energiaszinteket úgy kell elképzelni, mint az emeleteket: a molekulák az alsó vagy a felső szinten helyezkednek el, a kettő között nem lehetnek” – mondta a tudományos munkatárs.
A fénybesugárzás során a két szint közötti energiakülönbséget a spektroszkópusok kísérletekkel, míg a kvantumkémikusok számításokkal határozzák meg. Bár a kísérletek pontosabbak, így csak az információ kis részét tudják meghatározni, míg a számítások a teljes adatbázis létrehozását lehetővé teszik. „Ezt a két módszert ötvözendő fejlesztettem ki a MARVEL-programrendszert, mely remekül alkalmazható a számítógépes molekulaspektroszkópia területén. Az algoritmus alapvetően kísérleti adatokon nyugszik és a rezgési-forgási energiaszintek, illetve a hozzájuk tartozó bizonytalanságok meghatározására használható fel a mért átmenetek (spektrumok) adatbázisának segítségével. A MARVEL betűszó a Measured Active Rotational–Vibrational Energy Levels („mért aktív rezgési-forgási energiaszintek”) angol elnevezés rövidítése. Azért nevezzük aktívnak a meghatározott energiaszinteket, mert ezek értéke a megmért átmenetek adatbázisának méretétől, összetételétől függ. Amennyiben újabb átmenetek kerülnek az adatbázisba, a MARVEL-eljárást újra végre kell hajtani. Minél több átmenetet tartalmaz az adatbázis, annál több energiaszintet és bizonytalanságot vagyunk képesek meghatározni” – összegezte.
Furtenbacher Tibor szűkebb témája a spektroszkópiai hálózatok vizsgálata. „A spektroszkópiai hálózatok fogalmát 2007-ben vezettük be (a MARVEL elkészültével egy időben), azonban akkor még nem fedeztük fel, hogy az átmenetekből felépülő hálózatot a gráfelmélet segítségével érdemes tárgyalni. A MARVEL gráfelméleti algoritmusokat használ, melyeknek köszönhetően hatékonyabban lehet elvégezni a számításokat: amíg a program első verziója egy adott méretű adatbázist 10 óra alatt dolgozott fel, a legújabb fejlesztések eredményeképpen ez ma már mindössze fél percet vesz igénybe” – magyarázta a tudományos munkatárs.
A kutatásban jelenleg a víz molekula spektroszkópiáját vizsgálják, de tervezik a metán, az ammónia és a H3+ molekula gráfjának felépítését is. „A víz a legfontosabb többatomos molekula, spektrumának részletes ismerete számos tudományos, mérnöki és ipari alkalmazási területen alapvető fontosságú. A MARVEL-program hasznosítható az asztrofizikában vagy az üvegházhatás tanulmányozásánál, de a meteorológusok és a légkörkémikusok munkáját is segíti, illetve a mérnöki tudományban a hőtartalom mérésére is alkalmas. Célunk a víz rezgési-forgási energiaszintjeinek pontos megismerése, az eredményekből pedig egy összegzést tervezünk márciusra, melyet sztenderdként világszerte alkalmaznak majd.
A csoport célja, hogy a Wikipédia mintájára létrehozzák a spektropédiát. Az internetes oldal lényege, hogy a kutatók feltölthetik saját adatbázisukat és a MARVEL-eljárás segítségével tanulmányozhatják azokat. Az egyes kutatók lokálisan végzik el a méréseket, nincs alkalmazói felület, ahol a többiek eredményeivel összehasonlítsák őket. A spektropédia használata erre jelentene megoldást, hiszen lehetőség nyílna az információk egyeztetésére. A spektoszkópiai hálózatok hibaterjedésének vizsgálatához hallgatók bevonását tervezik. „Mesterséges hibát viszünk be egy adatbázisba, és megnézzük, ez milyen további hibákat generál. A mechanizmus a repülőgépek késéséhez hasonló: ha egy járat késik, helyettesítő gépre van szükség, melynek a helyére szintén egy új kell, és így tovább.”
Furtenbacher Tibor Császár Attila egyetemi tanárral, a kutatócsoport vezetőjével közösen publikált a Journal of Molecular Spectroscopy folyóiratban. A közlemény az egyik legrangosabb molekulaspektroszkópiai szaklap 2011 második negyedévében legtöbbet letöltött 25 cikke közé került be. „Formabontó közleményről van szó, hiszen eddig a spektroszkópusok nem gondoltak arra, hogy mérési eredményeiket hálózatokként, gráfokként fogják fel és így vizsgálják” – mondta a kutató. Hozzátette: a kutatást nagymértékben segítette a TÁMOP-projekt, az anyagi támogatás ugyanis jelentősen hozzájárult a spektropédia létrehozásához és fejlesztéséhez.