Stel je een wereld voor waarin je de natuurwetten kunt aan- of afzetten. Welkom in mijn wereld

In het kort

Wetenschappelijk onderzoek zoals we dat van oudsher kennen steunt op twee grote pijlers: experimenteel onderzoek en theoretisch onderzoek. Met de komst van de computer is zich een nieuwe derde pijler gaan ontwikkelen: het computationeel onderzoek. Wat houdt het in om een computationeel materiaal onderzoeker te zijn?

Stel je een wereld voor waarin je atomen kunt zien. Meer nog, je kunt ze stapelen als legoblokken en manipuleren naar eigen goeddunken. Stel je een wereld voor waarin je de natuurwetten kunt aan- of afzetten, een wereld waar je zelf nieuwe natuurwetten kunt schrijven. In zo een wereld heb jij het voor het zeggen. Welkom in mijn wereld, de wereld van het "computationele materiaalonderzoek".

Het zou een mooi begin zijn van een reclamespot voor dit onderzoeksgebied. In de bijhorende clip krijg je in elkaar overgaande beelden te zien van supercomputers enerzijds en animaties van chemische en biochemische processen op de atomaire schaal anderzijds. Het geheel wordt dan doorgelinkt aan onze eigen toekomst met sciencefictionachtige laboratoria waar de berekende materialen direct worden omgezet tot nieuwe medicijnen, flinterdunne beeldschermen en toepassing voor de ruimtevaart.

De steeds sneller elkaar opvolgende beelden culmineren dan in de slotslogan: "Simuleer de toekomst!" met als onderschrift de aansporing om computationeel materiaalonderzoek te gaan studeren. Ik stel me voor dat zo'n reclameclip wel tot de verbeelding zou spreken. Het spreekt onze menselijke drang om te creëren aan met de belofte dat je alles kunt, als je het je maar kunt voorstellen. Je verbeelding is de enige beperkende factor.

Zoals bij de meeste reclamespots wordt ook in deze de werkelijkheid iets mooier voorgesteld dan ze is. Zoals voor elke andere wetenschapper geldt immers dat je bijdrage aan de vooruitgang beperkter is dan je zou willen. De gepresenteerde goddelijke almacht en alwetendheid liggen wel binnen handbereik. Als computationeel onderzoeker heb je immers absolute controle over de plaatsing van atomen en de inwerkende krachten, iets waar een experimenteel onderzoeker deels is overgelaten aan de grillen van de natuur en zijn of haar apparatuur. Deze controlevrijheid laat je toe, binnen een computer, elke wereld te creëren die je maar kunt bedenken.

Als wetenschapper wil je de wereld om je heen begrijpen, wat bovenstaande vrijheden inperkt, tenzij je ervoor kiest om in een team van computergame-designers aan de slag gaan. Dit betekent niet dat je creativiteit wordt beknot, integendeel. Waar bij het ontwerpteam het volledige verhaal bekend is, inclusief de regels en natuurwetten van de wereld waarin je speelt, is dat niet het geval bij computationeel materiaalonderzoek. Meer nog, vaak is het net je opdracht het verhaal gaandeweg te ontdekken, inclusief de natuurwetten die relevant zijn. Je wordt als het ware een verteller die telkens nieuwe verhalen moet bedenken, of bestaande plots moet aanpassen, uitbreiden of beperken, tot de verhaallijn past in de vorm van de werkelijkheid.

Je staat er gelukkig niet alleen voor om een goede afloop te regelen. Je wordt bijgestaan door je trouwe sidekick: je supercomputer. Deze is in staat met brute kracht de gekste plotwendingen door te rekenen. Op basis van jouw inleidende hoofdstuk, waarin je de wereld en haar natuurwetten schetst, zal hij het verhaal verder laten ontplooien. Door dan de juiste vragen te stellen en de antwoorden met de werkelijkheid te vergelijken kom je erachter waar je verhaal nog niet helemaal in de werkelijkheid past.

Kekulé's eureka-moment: Ouroboros, Bron: https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=2856329

Hoe je je inleidende hoofdstuk daarop moet aanpassen verschilt per geval. Soms is het duidelijk wat er aan de hand is: er ontbreekt een cruciaal personage (bijvoorbeeld een onzuiverheidsatoom dat het kristaalrooster verstoort) of het personage woont op de foute plaats (toch niet op de plaats van atoom A, atoom B dan maar?). Moeilijker wordt het als sommige personages weigeren de hun toebedeelde rol te spelen (Die platina-atomen zijn onzichtbaar voor de rastertunnelmicroscoop, wie speelt nu de rol van de zichtbare nanodraad?).

De lastigste situatie is wanneer een volledige herschrijving van het inleidende hoofdstuk nodig is. Hierdoor krijg je te veel vrijheid in handen, terwijl het net de gekende beperkingen zijn die je houvast geven bij het opstellen van het verhaal. Je hebt dan een idee nodig dat je een link geeft met de werkelijkheid. Inspiratie kan hier velerlei vormen aannemen en op willekeurig moment komen.

Een bekende anekdote is deze van de theoretische chemicus Kekulé, die in een dagdroom een slang zichzelf in de staart zag bijten en daardoor de ringvormige structuur van de benzeenmolecule uitdokterde. Zulke wonderlijk probleemoplossende gedachtekronkels komen zelden spontaan, maar zijn veeleer het gevolg van lang en intens werk op eenzelfde vraagstuk.

Dergelijke situaties drijven je tot het uiterste, je moet je immers iets voorstellen waar je nooit eerder aan gedacht hebt. In managementkringen wordt zoiets “buiten het kader denken” genoemd, wat bedrieglijk eenvoudig klinkt. Je mag immers niet vergeten dat voor onderzoek dit niet betekent dat alles plots toegelaten is (met andere woorden, je mag het kader zeker niet uit het oog verliezen bij het dagdromen).

Als computationeel materiaalonderzoeker moet je dus je almacht over je virtuele wereld combineren met je eigen vermogen nieuwe werelden in gedachten te scheppen, in de hoop zo onderweg een glimp van de buitenwereld in je siliciumchip op te vangen.

Wil je meer lezen over het werk van Danny Vanpoucke? Ga dan naar zijn persoonlijke blog.