Model MIT Baru Memprediksi Keadaan Transisi Dengan Kecepatan yang Belum Pernah Ada Sebelumnya

Dengan memanfaatkan kecerdasan buatan generatif, ahli kimia dari MIT mengembangkan model yang dapat memprediksi struktur yang terbentuk ketika reaksi kimia mencapai titik tidak dapat kembali lagi.

Selama reaksi kimia, molekul memperoleh energi hingga mencapai apa yang disebut keadaan transisi – titik di mana reaksi harus dilanjutkan. Keadaan ini sangat cepat berlalu sehingga hampir mustahil untuk mengamatinya secara eksperimental.

Struktur keadaan transisi ini dapat dihitung menggunakan teknik berdasarkan kimia kuantum, namun prosesnya sangat memakan waktu. Sebuah tim peneliti MIT kini telah mengembangkan pendekatan alternatif berdasarkan pembelajaran mesinyang dapat menghitung struktur ini lebih cepat — dalam beberapa detik.

Model baru mereka dapat digunakan untuk membantu ahli kimia merancang reaksi dan katalis baru untuk menghasilkan produk yang bermanfaat seperti bahan bakar atau obat-obatan, atau untuk memodelkan reaksi kimia yang terjadi secara alami seperti yang mungkin membantu mendorong evolusi kehidupan di Bumi.

“Mengetahui struktur keadaan transisi sangat penting sebagai titik awal untuk memikirkan perancangan katalis atau memahami bagaimana sistem alam melakukan transformasi tertentu,” kata Heather Kulik, profesor kimia dan teknik kimia di DENGANdan penulis senior penelitian ini.

Chenru Duan PhD '22 adalah penulis utama makalah yang menjelaskan karya tersebut, yang muncul hari ini di Ilmu Komputasi Alam. Mahasiswa pascasarjana Cornell University, Yuanqi Du dan mahasiswa pascasarjana MIT Haojun Jia juga merupakan penulis makalah ini.

Transisi sekilas

Agar suatu reaksi kimia dapat terjadi, ia harus melalui keadaan transisi, yang terjadi ketika mencapai ambang energi yang diperlukan agar reaksi dapat berlangsung. Kemungkinan terjadinya reaksi kimia sebagian ditentukan oleh seberapa besar kemungkinan terjadinya keadaan transisi.

“Keadaan transisi membantu menentukan kemungkinan terjadinya transformasi kimia. Jika kita memiliki banyak sesuatu yang tidak kita inginkan, seperti karbon dioksida, dan kita ingin mengubahnya menjadi bahan bakar yang berguna seperti metanol, keadaan transisi dan seberapa menguntungkannya akan menentukan seberapa besar kemungkinan kita mendapatkan sesuatu darinya. . reaktan terhadap produk,” kata Kulik.

Ahli kimia dapat menghitung keadaan transisi menggunakan metode kimia kuantum yang dikenal sebagai teori fungsional kerapatan. Namun, metode ini memerlukan daya komputasi yang sangat besar dan memerlukan waktu berjam-jam atau bahkan berhari-hari untuk menghitung satu keadaan transisi saja.

Baru-baru ini, beberapa peneliti mencoba menggunakan model pembelajaran mesin untuk menemukan struktur keadaan transisi. Namun, model yang dikembangkan sejauh ini memerlukan pertimbangan kedua reaktan sebagai satu kesatuan dimana reaktan mempertahankan orientasi yang sama terhadap satu sama lain. Orientasi lain yang mungkin harus dimodelkan sebagai reaksi terpisah, sehingga meningkatkan waktu komputasi.

“Jika molekul reaktan diputar, maka pada prinsipnya sebelum dan sesudah rotasi masih dapat mengalami reaksi kimia yang sama. Namun dalam pendekatan pembelajaran mesin tradisional, model akan melihat ini sebagai dua reaksi yang berbeda. Hal ini membuat pelatihan pembelajaran mesin menjadi lebih sulit. dan kurang akurat,” kata Duan.

Tim MIT mengembangkan pendekatan komputasi baru yang memungkinkan mereka mewakili dua reaktan dalam orientasi sewenang-wenang terhadap satu sama lain, menggunakan jenis model yang dikenal sebagai model difusi, yang dapat mempelajari jenis proses mana yang paling mungkin menghasilkan reaksi tertentu. . hasil. Sebagai data pelatihan untuk model mereka, para peneliti menggunakan struktur reaktan, produk, dan keadaan transisi yang telah dihitung menggunakan metode komputasi kuantum, untuk 9.000 reaksi kimia yang berbeda.

“Setelah model mempelajari distribusi yang mendasari bagaimana ketiga struktur ini hidup berdampingan, kami dapat menyediakan reaktan dan produk baru, dan model tersebut akan mencoba menghasilkan struktur keadaan transisi yang berpasangan dengan reaktan dan produk tersebut,” kata Duan.

Para peneliti menguji model mereka pada sekitar 1.000 reaksi yang belum pernah dilihat sebelumnya, memintanya untuk menghasilkan 40 kemungkinan solusi untuk setiap keadaan transisi. Mereka kemudian menggunakan “model keyakinan” untuk memprediksi keadaan mana yang paling mungkin terjadi. Solusi ini akurat hingga 0,08 angstrom (seratus juta sentimeter) jika dibandingkan dengan struktur keadaan transisi yang dihasilkan menggunakan teknik kuantum. Seluruh proses komputasi hanya membutuhkan waktu beberapa detik untuk setiap reaksi.

“Anda dapat membayangkan bahwa hal ini benar-benar melibatkan pemikiran untuk menghasilkan ribuan negara transisi dalam waktu yang biasanya diperlukan untuk menghasilkan hanya segelintir negara bagian dengan metode konvensional,” kata Kulik.

Reaksi pemodelan

Meskipun para peneliti melatih model mereka terutama pada reaksi yang melibatkan senyawa dengan jumlah atom yang relatif kecil – hingga 23 atom untuk keseluruhan sistem – mereka menemukan bahwa model tersebut juga dapat membuat prediksi yang akurat untuk reaksi yang melibatkan molekul yang lebih besar.

“Bahkan jika Anda melihat sistem yang lebih besar atau sistem yang dikatalisis enzim, Anda mendapatkan cakupan yang cukup baik tentang berbagai jenis cara yang kemungkinan besar dapat mengatur ulang atom,” kata Kulik.

Para peneliti sekarang berencana untuk memperluas model mereka dengan memasukkan komponen lain seperti katalis, yang dapat membantu mereka menyelidiki seberapa besar katalis tertentu akan mempercepat suatu reaksi. Hal ini dapat berguna untuk mengembangkan proses baru untuk menghasilkan obat, bahan bakar, atau senyawa bermanfaat lainnya, terutama bila sintesisnya melibatkan banyak langkah kimia.

“Secara tradisional, semua perhitungan ini dilakukan dengan kimia kuantum, dan sekarang kita dapat mengganti bagian kimia kuantum dengan model generatif cepat ini,” kata Duan.

Penerapan potensial lain dari model semacam itu adalah untuk mengeksplorasi kemungkinan interaksi antara gas yang ditemukan di planet lain, atau untuk memodelkan reaksi sederhana yang mungkin terjadi selama awal evolusi kehidupan di Bumi, kata para peneliti.

Referensi: “Pembuatan keadaan transisi yang akurat dengan model difusi reaksi dasar setara yang sadar objek” oleh Chenru Duan, Yuanqi Du, Haojun Jia dan Heather J. Kulik, 15 Desember 2023, Ilmu Komputasi Alam.
DOI: 10.1038/s43588-023-00563-7

Penelitian ini didanai oleh Kantor Penelitian Angkatan Laut AS dan National Science Foundation.