Daten für die Chemie der Zukunft
Im Max Planck Singapore Center for Data-driven Chemistry erzeugen Forschende mit automatisierten Experimenten und Künstlicher Intelligenz verlässliche Daten für chemische Reaktionen und neue Materialien
Welche Substanzen reagieren wie miteinander und unter welchen Bedingungen? Welche Katalysatoren beschleunigen den Ablauf von Reaktionen am besten? Nach welchen Mechanismen und welchen kinetischen Gesetzmäßigkeiten funktionieren chemische Reaktionen? Welchen Einfluss haben dabei bestimmte Lösungsmittel?
Um diese und ähnliche Fragen in der Chemie mit Hilfe von Methoden der Künstlichen Intelligenz (KI) und des Maschinellen Lernens (ML) beantworten zu können, benötigt man – wie auch in anderen Wissenschaftsgebieten – vor allem eines: verlässliche Daten, in ausreichender Präzision und möglichst großer Menge, gewonnen in reproduzierbaren Experimenten. Bisher ist es jedoch oft schwer, chemische Experimente verlässlich zu wiederholen, weil die Beschreibung dieser Experimente in der Literatur oftmals lückenhaft ist und nicht alle Einflussfaktoren vollständig dokumentiert werden. Zudem werden negative Daten – etwa Reaktionen, die nicht planmäßig funktioniert haben – in der Regel nicht veröffentlicht.
Das Max Planck Singapore Center for Data-driven Chemistry hat sich daher die Aufgabe gestellt, durch Automation und Normung verlässliche chemische Daten zu erzeugen, die „AI-ready“ sind, also den Einsatz von Künstlicher Intelligenz ermöglichen. So sollen grundlegende Erkenntnisse über chemische Reaktionen und die Herstellung neuer Materialien gewonnen werden.
„Die Zusammenarbeit mit den Kolleginnen und Kollegen in Singapur ist ein wichtiger Schritt hin zur Digitalisierung der Chemie. Nur ein gemeinsamer, globaler Ansatz kann diese wichtige Revolution in der Chemie voranbringen – deshalb sind wir begeistert, zusammen diese bahnbrechende Forschung anzugehen“, sagt Peter Seeberger.
Dazu arbeiten Forschende des Max-Planck-Instituts für Kolloid- und Grenzflächenforschung in Potsdam und des Max-Planck-Instituts für Dynamik komplexer technischer Systeme in Magdeburg mit Partnern der Nanyang Technological University (NTU), der National University of Singapore und der Agency for Science, Technology and Research zusammen. Die Partner in Singapur forschen auf internationalem Spitzenniveau und stehen vor ähnlichen Herausforderungen wie Deutschland, was die Digitalisierung der Chemie angeht. Gemeinsam mit den deutschen Partnern wollen sie neue, global akzeptierte Datenstandards entwickeln, internationale Talente gewinnen und die Ergebnisse in der chemischen und pharmazeutischen Industrie nutzbar machen. Der systematische Austausch chemischer Prozessdaten über Länder- und Institutionsgrenzen hinweg könnte dabei zur Blaupause für die Zusammenarbeit zwischen Forschung und Industrie werden.
Die beteiligten Max-Planck-Institute bringen dabei unterschiedliche Stärken ein: Das Team von Peter Seeberger in der Abteilung Biomolekulare Systeme am MPI für Kolloid- und Grenzflächenforschung in Potsdam untersucht komplexe chemische Reaktionen für die Synthesechemie und automatisiert Syntheseprozesse, etwa für die Herstellung von Wirkstoffen und Impfstoffen. Die Abteilung Prozesstechnik am Max-Planck-Institut für Dynamik komplexer technischer Systeme unter Leitung von Kai Sundmacher entwickelt datengetriebene Methoden, um Stoffeigenschaften vorherzusagen, die Struktur und Kinetik chemischer Reaktionsnetzwerke modellgestützt zu analysieren und Moleküle, Materialien sowie Prozesskonfigurationen für nachhaltige chemische Produktionsverfahren gezielt zu entwerfen.
„Unsere Vision ist es, mit datengetriebenen Methoden große molekulare Strukturräume zu explorieren und dabei auf die Suche zu gehen nach neuartigen Molekülen und Materialstrukturen, die optimale Eigenschaften besitzen – beispielsweise hocheffiziente Katalysatoren für die Feinchemie oder umweltfreundliche Lösungsmittel für das Recycling von Kunststoffen“, sagt Kai Sundmacher.