La comprensione del comportamento di una sostanza senza doverla realmente sintetizzare apre strade mai percorse prima alla scienza dei materiali.
di Siobahn Roberts
Le molecole sono complicate. Non aiutano di certo a capirle, i ricordi della scuola elementare di elettroni in orbita attorno a un nucleo come i pianeti intorno al Sole. Gli elettroni possono essere condivisi tra molti nuclei atomici. Interagiscono tra loro nei modi descritti dalle equazioni della meccanica quantistica. Sono queste complesse interazioni, che crescono esponenzialmente con il numero di elettroni, che governano in gran parte le reazioni chimiche e le proprietà delle molecole.
La simulazione di questi elettroni con una precisione perfetta potrebbe richiedere milioni di anni a un computer convenzionale. Ma gli algoritmi in esecuzione sui computer quantistici potrebbero essere in grado di eseguire calcoli precisi in giorni o addirittura ore. Ciò fornirebbe indizi su come progettare con precisione molecole con proprietà desiderate e adattare le loro reazioni con un controllo straordinario.
Una simulazione quantistica sufficientemente precisa potrebbe consentire ai chimici di creare nuovi composti come migliori superconduttori ad alta temperatura, catalizzatori che potrebbero estrarre azoto o anidride carbonica dall’aria, nuovi farmaci, celle solari più efficienti, materiali leggeri e resistenti per gli aeroplani e così via. Sarebbe un modo per capire rapidamente il comportamento di una nuova sostanza senza doverla effettivamente sintetizzare. Potrebbe annunciare una nuova era della scienza dei materiali.
Tra il 2014 e il 2020, Ryan Babbush ha pubblicato decine di articoli insieme a collaboratori di Google e altri, che delineavano algoritmi di simulazione quantistica notevolmente più efficienti. Il risultato è che alcuni calcoli di simulazione quantistica potrebbero, in linea di principio, essere eseguiti in poche ore, su un computer quantistico sufficientemente potente.
Si prenda il caso della nitrogenasi, un enzima che alcuni batteri usano per rimuovere l’azoto dall’aria e creare ammoniaca, un composto di azoto e idrogeno. Questo processo, noto come fissazione dell’azoto, è essenziale per l’agricoltura, motivo per cui i fertilizzanti a base di azoto sono un fulcro del sistema alimentare mondiale. La nitrogenasi è una grande molecola che include un sito catalitico noto come FeMoco.
Attualmente, una tecnica ad alta intensità energetica nota come processo Haber-Bosch produce la maggior parte dei fertilizzanti, che rappresentano circa il 2 per cento del consumo energetico totale dell’umanità. “Se potessimo capire come fa questo enzima [azotogenasi], allora potremmo essere in grado di progettare un’alternativa industrialmente praticabile per la produzione di fertilizzanti, che potrebbe scalare e far risparmiare un’enorme quantità di energia”, afferma Babbush.
Lui e i suoi collaboratori hanno trovato un modo potenziale per utilizzare un computer quantistico per analizzare FeMoco e far luce sul meccanismo con cui prima rompe i legami tra gli atomi di azoto che sono legati insieme nel gas azoto e poi riesce a combinare l’azoto con l’idrogeno (Babbush riconosce che approcci concorrenti che utilizzano approssimazioni intelligenti per simulare molecole su computer classici potrebbero arrivare per primi).
Un’altra linea di ricerca avanzata da Babbush mira a capire come i computer quantistici possono calcolare il comportamento degli elettroni nei metalli e nei cristalli. Le potenziali applicazioni potrebbero includere la ricerca di superconduttori migliori o la realizzazione di celle solari più efficienti. In questi materiali, lo schema ripetitivo degli atomi crea un comportamento molto complesso tra gli elettroni interdipendenti. E Babbush sta cercando di capire come utilizzare i computer quantistici per dare un senso a queste interazioni.
Immagine: Ryan Babbush. Ryan Young
(rp)
