Ο χημικός των κβάντων

Ο Κωνσταντίνος Βογιατζής κατέχει θέση επίκουρου καθηγητή στο Τμήμα Χημείας του Πανεπιστημίου του Τενεσί (Η.Π.Α.). Το ερευνητικό́ του έργο σχετίζεται με την ανάπτυξη νέων υπολογιστικών μεθόδων βασισμένων στην κβαντική θεωρία και στην τεχνητή νοημοσύνη για την μελέτη καταλυτικών και μαγνητικών ιδιοτήτων μεταλλικών συμπλόκων, καθώς επίσης με τον διαχωρισμών αερίων μέσω κρυσταλλικών και πολυμερικών μεμβρανών για περιβαλλοντολογικές και βιομηχανικές εφαρμογές.

Ερ. Ποια ήταν η πρώτη επαφή σας με την επιστήμη της Χημείας;

Aπ. Πρέπει να ήμουν 11 ή 12 χρονών. Θυμάμαι πως ο πατέρας μου, ο οποίος κατέχει πτυχίο Χημείας, μου εξήγησε τι είναι το άτομο, τις ηλεκτρονιακές στοιβάδες, πως δύο άτομα δημιουργούν ομοιοπολικούς και ετεροπολικούς δεσμούς, το χημικό σθένος του άνθρακα και πως σχηματίζει υδρογονάνθρακες. Εν ολίγοις, μου εξήγησε την ηλεκτρονιακή δομή των ατόμων και απλών μορίων. Μέσα σε λίγα λεπτά, μέσα από ένα αναπάντεχο μάθημα, εκτέθηκα στον όμορφο κόσμο της Χημείας την οποία και αγάπησα. Νοιώθω πραγματικά ευτυχισμένος που 20 χρόνια αργότερα μελετάω το ίδιο αντικείμενο που αγάπησα σε εκείνη την ηλικία: την ηλεκτρονιακή δομή μορίων και υλικών. Η διαφορά είναι ότι πλέον δεν την μελετάω με χαρτί και μολύβι, όπως μου εξήγησε ο πατέρας μου, αλλά μέσω αρχών κβαντικής χημείας.

Ερ. Μπορείτε να μας περιγράψετε τους σταθμούς της καριέρας σας μέχρι τώρα; Ποιος θεωρείτε ότι ήταν ο πιο καθοριστικός;

Το 2001 ξεκίνησα τις σπουδές μου στο Πανεπιστήμιο Αθηνών. Σημαντικό ρόλο στην εξέλιξή μου είχαν οι διαλέξεις κβαντικής μηχανικής και κβαντικής χημείας που παρακολούθησα στα τελευταία έτη των προπτυχιακών σπουδών μου. Με κέρδισε ο κλάδος και θυμάμαι πως με το που έδωσα την εξέταση στο τελευταίο μάθημα, αγόρασα ένα πιο προχωρημένο εγχειρίδιο κβαντικής χημείας. Με τις γνώσεις που είχα όμως τότε, δεν ήμουν σε θέση να το καταλάβω, πέραν των πρώτων κεφαλαίων. Έτσι θέλησα να συνεχίσω με μεταπτυχιακές σπουδές ώστε να μπω βαθύτερα στον κόσμο των πολύπλοκων εξισώσεων και θεωριών που εξηγούν την ηλεκτρονιακή δομή των ατόμων και των μορίων. Ακολούθησαν μεταπτυχιακές σπουδές στο Πανεπιστήμιο της Κρήτης και στο Τεχνολογικό Ινστιτούτο της Karlsruhe, Γερμανία, οι οποίες μου επέτρεψαν να εξειδικευτώ στην θεωρητική και υπολογιστική χημεία. Το ταξίδι συνεχίστηκε στο Πανεπιστήμιο της Minnesota όπου εργάστηκα για δυόμιση χρόνια ως μεταδιδακτορικός ερευνητής. Στην Minnesota μου δόθηκε η ευκαιρία να επεκτείνω τις γνώσεις μου σε νέες μεθόδους θεωρητικής χημείας αλλά και να συνεργαστώ με πειραματικούς χημικούς από το Berkeley, Harvard και MIT. Τον Σεπτέμβριο του 2016 ξεκίνησα την ανεξάρτητη ερευνητική μου καριέρα ως επίκουρος καθηγητής στο Πανεπιστήμιο του Tennessee.
Δε μπορώ να ξεχωρίσω ποιος σταθμός ήταν ο πιο καθοριστικός. Ο κάθε ένας αποτέλεσε το διαβατήριο για τον επόμενο.

Ερ. Τι ήταν αυτό που σας ώθησε να δοκιμάσετε τις δυνάμεις σας στο εξωτερικό; Υπήρχε κάτι από αυτά που εξασκήσατε στο εξωτερικό και δε θα μπορούσατε να τα εξασκήσετε στην Ελλάδα;

Όσο βρισκόμουν ακόμα στην Ελλάδα, γνώριζα πως για να καταλάβω καλύτερα την κβαντική χημεία, θα έπρεπε να δουλέψω πάνω σε ανάπτυξη νέων μεθόδων. Μόνο έτσι θα μπορούσα να μπω σε βάθος στις εξισώσεις των μοντέρνων θεωριών, γράφοντας ή τροποποιώντας κώδικα σε κάποιο πρόγραμμα υπολογιστικής χημείας. Οι χώρες που έχουν παράδοση στην ανάπτυξη προγραμμάτων κβαντικής χημείας είναι η Γερμανία, οι Ηνωμένες Πολιτείες και οι Σκανδιναβικές χώρες. Επέλεξα τις δυο πρώτες και απέρριψα τις Σκανδιναβικές χώρες λόγω κρύου (το οποίο εν τέλη δεν απέφυγα μιας και βρέθηκα στην Minnesota…).

Ερ. Μπορείτε να μας πείτε λίγα λόγια για τα ερευνητικά σας ενδιαφέροντα; Τι είναι αυτό πού σας ευχαριστεί περισσότερο στην έρευνα;

Με την ερευνητική μου ομάδα δραστηριοποιούμαστε σε δυο διαφορετικά αντικείμενα. Το πρώτο έχει να κάνει με την κατανόηση των ηλεκτρονιακών ιδιοτήτων γνωστών βιομιμετικών δραστικών συστημάτων που θα μας βοηθήσει στον μελλοντικό σχεδιασμό πιο αποδοτικών και με μεγαλύτερη εκλεκτικότητα καταλυτών. Το δεύτερο επιστημονικό αντικείμενο σχετίζεται με τον διαχωρισμό του διοξειδίου του άνθρακα από άλλα αέρια (π.χ. μεθάνιο) μέσω άμορφων πολυμερικών μεμβρανών και κρυσταλλικών πορωδών υλικών. Προσπαθούμε να επιλύσουμε τα προβλήματα αυτά συνδυάζοντας μεθόδους κβαντικής χημείας και μηχανικής μάθησης.

Με ευχαριστεί και με ελκύει το απρόσμενο, το μη αναμενόμενο. Να εκτελώ έναν υπολογισμό για ένα άγνωστο μοριακό σύστημα, και το αποτέλεσμά του να είναι διαφορετικό από αυτό που αρχικά να περίμενα. Το αποτέλεσμα αυτό μας βάζει να σκεφτούμε τους λόγους για τους οποίους καταλήξαμε σε αυτό, και συνήθως οδηγεί στην ανακάλυψη ενός καινούργιου φαινομένου ή στην απόρριψη μιας αρχικής υπόθεσης.

Ερ. Ποιο είναι το κομμάτι της έρευνα σας, που είτε εφαρμόζεται σήμερα είτε προβλέπετε-ελπίζετε πως θα έχει εφαρμογή στο μέλλον;

Μηχανική μάθηση, επιστήμη δεδομένων και ο συνδυασμός τους με την χημεία, και κυρίως η εφαρμογή νευρωνικών δικτύων σε προβλήματα χημικού ενδιαφέροντος. Η μηχανική μάθηση στηρίζεται στην συλλογή δεδομένων τα οποία χρησιμοποιούνται για να «εκπαιδεύσουν» ένα μοντέλο. Το μοντέλο αυτό μπορεί να κάνει προβλέψεις για νέα συστήματα που δεν υπάρχουν αντίστοιχα δεδομένα. Με την αύξηση της διαθέσιμης υπολογιστικής ισχύος και την πρόοδο των μαθηματικών τεχνικών, μπορούμε να επιλύουμε τις εξισώσεις των κβαντοχημικών μεθόδων με μεγαλύτερη ταχύτητα, που οδηγεί στην συλλογή περισσότερων δεδομένων για ένα μικρό υποσύνολο του χημικού χώρου. Χρησιμοποιώντας αυτά τα δεδομένα και μοντέρνους αλγορίθμους μηχανικής μάθησης, μπορούμε να προβλέψουμε με ικανοποιητική ακρίβεια τις ιδιότητες νέων μορίων και υλικών, που κατ’ επέκταση θα μπορούμε να επιταχύνουμε επιστημονικές ανακαλύψεις. Η μεθοδολογία αυτή έχει ήδη ξεκινήσει να εφαρμόζεται επιτυχημένα σε ορισμένους κλάδους (ημιαγώγιμα υλικά, φάρμακα, κτλ), αλλά θεωρώ πως όλο και περισσότερες επιστημονικές ομάδες θα την εφαρμόσουν σε προβλήματα σχετικά με κατάλυση.

Ερ. Λένε πως η επιστημονική έρευνα είναι δημιουργική αλλά έχει και τις δυσκολίες της. Τι είναι αυτό που κάνει μια μέρα σας να είναι περισσότερο κουραστική και ψυχοφθόρα όσον αφορά το ερευνητικό κομμάτι;

Η ίδια η έρευνα δε με κούραζε ποτέ, δεν με έφθειρε. Βέβαια, πολλές φορές, όταν δεν έχεις τις απαντήσεις ή την πρόοδο που περιμένεις απογοητεύεσαι, αλλά μετά από λίγο καιρό, με κάποιες νέες, φρέσκιες ιδέες, λύνεις το πρόβλημα και ξεπερνάς τις δυσκολίες. Για κάποια πρότζεκτ, μπορεί να είναι θέμα ωρών, για κάποια άλλα θέμα μερικών μηνών, ίσως και χρόνων.

Ερ. Υπάρχει χρόνος για άλλες δραστηριότητες στη ζωή σας; Ποιες είναι αυτές; Τι γεμίζει τις μπαταρίες σας στον ελεύθερο χρόνο;

Δυστυχώς ο ελεύθερος χρόνος συρρικνώνεται, κυρίως διότι ως επίκουρος καθηγητής έχω νέες υποχρεώσεις και ευθύνες να αντιμετωπίσω. Όσος χρόνος απομένει, φροντίζω να τον αφιερώνω στην ποδηλασία δρόμου, στην μουσική, και σε τουρισμό.

Ερ. Ποιος είναι αυτός ο Χημικός που ξεχωρίζετε περισσότερο από την σύγχρονη εποχή αλλά και από τους θεμελιωτές της Χημείας γενικότερα;

Αυτή είναι πολύ δύσκολη ερώτηση, διότι υπάρχουν πάρα πολλοί συνάδελφοι που οδηγούν τις εξελίξεις στον τομέα που έχουν εξειδικευτεί. Επιτρέψτε μου να χρησιμοποιήσω τα λόγια του Jean-Marie Lehn (Νόμπελ χημείας για την συνεισφορά του στον τομέα της υπερμοριακής χημείας), που σε μια ομιλία του είχε αναφέρει πως «κάθε ερευνητής συνεισφέρει ένα λιθαράκι στο οικοδόμημα της επιστήμης – άλλος μεγαλύτερο κι άλλος μικρότερο». Αν πρέπει να επιλέξω κάποιον από την σύγχρονη εποχή, αυτός θα ήταν ο Dan Nocera (Harvard), που εξέλιξε το δικό του διάσημο πλέον τεχνητό φύλλο (τεχνητή φωτοσύνθεση) σε βιο-τεχνητό φύλλο. Η ερευνητική του ομάδα συνδύασε ένα ανόργανο υλικό που διασπά μόρια νερού μέσω ηλιακής ενέργειας με μικροοργανισμούς που μπορούν να συνδυάζουν το παραγόμενο υδρογόνο με διοξείδιο του άνθρακα για την ενζυμική σύνθεση καυσίμων (ελαφρών υδρογονανθράκων). Κι όλα αυτά σε ένα μόνο ολοκληρωμένο χημικό «κύκλωμα».

Ερ. Τι έχετε να συμβουλεύσετε στους νέους που τώρα ξεκινάνε το ταξίδι τους στον κόσμο της Χημείας

Να πιστεύουν στον εαυτό τους, στους στόχους τους, και στις δυνατότητές τους. Με σκληρή δουλειά, επιμονή κι υπομονή, όλα κατακτώνται.