Betrouwbaarheid van materiaalsimulaties bewezen via online internationaal onderzoek

(24-03-2016) De jongste generatie computercodes levert volledig gelijkwaardige voorspellingen van materiaalgedrag, onafhankelijk van de gebruikte software. De studie, onder impuls van UGent-wetenschappers, verschijnt deze week in Science.

Een team van wetenschappers van het Centrum voor Moleculaire Modellering van de UGent onderzocht samen met collega's uit meer dan 30 universiteiten en wetenschappelijke instellingen in hoever kwantummechanische simulaties dezelfde materiaaleigenschappen voorspellen wanneer die door andere onderzoekers en met andere software uitgevoerd worden. Via een online samenwerking slaagden zij erin om aan te tonen dat de jongste generatie computercodes daartoe in staat is – in tegenstelling tot eerdere generaties.

Reproduceerbaarheid is niet zomaar gegarandeerd

Een van de basisbeginselen van de wetenschap is dat experimenten steeds dezelfde resultaten moeten voortbrengen. Enkel op die manier kunnen wetmatigheden afgeleid worden, die tot nieuwe inzichten en technologieën leiden. Verschillende studies toonden de laatste jaren echter aan dat reproduceerbare resultaten niet zomaar gegarandeerd zijn. In uiteenlopende vakgebieden, gaande van psychologisch tot genetisch onderzoek, zijn voorbeelden bekend waar de herhaling van vroegere experimenten sterk verschillende uitkomsten oplevert.

Ook bij het gebruik van computerprogramma's moet men op zijn hoede zijn. De manier waarop theoretische modellen geprogrammeerd worden, kan een belangrijke invloed hebben op voorspellingen uit wetenschappelijke simulaties. Dit is een zorgwekkende situatie voor onderzoeksgebieden waarin computersimulaties een aanzienlijke rol spelen. Bij de ontwikkeling van nieuwe materialen, bijvoorbeeld, worden tientallen onafhankelijke computercodes gebruikt die op kwantummechanica gebaseerd zijn. Die worden bovendien steeds meer op een geautomatiseerde wijze ingezet, zonder menselijke supervisie. Het is daarom essentieel om te weten of materiaalkundige voorspellingen niet te veel van de gebruikte code afhangen.

Online samenwerking brengt experten samen

Ondanks het belang van betrouwbare voorspellingen voor materialen was de reproduceerbaarheid van kwantummechanische simulaties nog nooit systematisch onderzocht. Een van de redenen daarvoor is dat er niemand te vinden is die expert is in alle bestaande codes. Onder impuls van de UGent sloegen meer dan 60 onderzoekers, verbonden aan meer dan 30 prominente instellingen, daarom de handen in elkaar. Ze bestudeerden hoe 40 verschillende methodes de invloed van druk op het gedrag van metalen en andere materialen beschrijven.

Door de internationale samenstelling van deze grootschalige samenwerking verliepen discussies voornamelijk via online fora, analoog aan hoe bijvoorbeeld op Wikipedia samengewerkt en -geschreven wordt. Op die manier controleerde elke partner de betrouwbaarheid van zijn/haar resultaten, om elke mogelijke smet op de reputatie van computersimulaties te weerleggen. Hoewel enkele verouderde methodes duidelijk tot afwijkende waarden leiden, kunnen de onderzoekers nu inderdaad aantonen dat recente codes volledig gelijkwaardige resultaten opleveren. Ze definiëren bovendien een kwaliteitscriterium, dat toelaat toekomstige softwareontwikkelingen aan hun uitgebreide databank te toetsen. Deze resultaten worden steeds aan een dynamisch en publiekelijk beschikbaar platform toegevoegd. De onderzoekers hopen op die manier tot hogere standaarden voor betrouwbare wetenschappelijke resultaten aan te zetten en de ontwikkeling van nieuwe technieken te bevorderen.

Info

Artikel in Science 

Kurt Lejaeghere
Centrum voor Moleculaire Modellering
T 09 264 65 60, M 0472 63 52 95

prof. Stefaan Cottenier
Centrum voor Moleculaire Modellering & Vakgroep Toegepaste Materiaalwetenschappen
M 0498 23 58 04