Kemiska reaktioner äger rum runt omkring oss hela tiden - i luften vi andas, vattnet vi dricker, och i fabrikerna som tillverkar produkter vi använder i vardagen. Och de reaktionerna är oväntat snabba. Givet optimala förhållanden, molekyler kan reagera med varandra på en kvadriljondels sekund.

Industrin strävar hela tiden efter att uppnå snabbare och bättre kemiska processer. producerar väte, som kräver splittring av vattenmolekyler, är ett exempel. För att förbättra processerna, forskare behöver veta hur olika molekyler reagerar med varandra och vad som utlöser reaktionerna. Datorsimuleringar kan göra det möjligt att studera vad som händer under en kvadrilliondels sekund, så om sekvensen av en kemisk reaktion är känd, eller om de triggers som initierar reaktionen inträffar ofta, reaktionsstegen kan studeras.

Men så är det ofta inte i praktiken. Molekylära reaktioner beter sig ofta annorlunda. Optimala förhållanden är ofta inte närvarande, som med vattenmolekyler som används vid väteproduktion, och detta gör reaktioner utmanande att undersöka, även med datorsimuleringar.

Tills nyligen, forskare har inte vetat vad som initierar uppdelningen av vattenmolekyler. Dock, det är känt att en vattenmolekyl har en livslängd på 10 timmar innan den splittras. Tio timmar låter kanske inte som en lång tid, men jämfört med den molekylära tidsskalan – en kvadriljondels sekund – är den ganska lång. Detta gör det superutmanande att bestämma mekanismen som gör att vattenmolekyler delar sig. Det är som att leta efter en nål i en höstack.

NTNU-forskare har nyligen hittat ett sätt att identifiera den där nålen i höstacken. I deras studie, de kombinerade två tekniker som inte tidigare använts tillsammans.

De studerade nästan 100, 000 simuleringsbilder av den här typen innan de kunde identifiera vad som triggar vattenmolekylerna att splittras. Mycket datorkraft gick in i dessa simuleringar. Genom att använda deras speciella metod, forskarna lyckades simulera exakt hur vattenmolekyler splittrades. "Vi började titta på dessa 10, 000 simuleringsfilmer och analysera dem manuellt, försöker hitta orsaken till att vattenmolekyler splittras, " säger forskaren Anders Lervik vid NTNU:s kemiska institution. Han utförde sitt arbete med professor Titus van Erp.

"Efter att ha tillbringat mycket tid med att studera dessa simuleringsfilmer, vi hittade några intressanta relationer, men vi insåg också att mängden data var för stor för att undersöka allt manuellt." Forskarna använde en maskininlärningsmetod för att upptäcka orsakerna som utlöser reaktionen. Denna metod har aldrig använts för simuleringar av denna typ. Genom denna analys, de upptäckte ett litet antal variabler som beskriver vad som initierar reaktionerna.

Det de hittade ger detaljerad kunskap om orsaksmekanismen, samt idéer för att förbättra processen. Att hitta sätt för industriella kemiska reaktioner att ske snabbare och mer effektivt har tagit ett betydande steg framåt med denna forskning. Det erbjuder stor potential för att förbättra väteproduktionen.