Danny Vanpoucke

This year I participated in the Robbert Dijkgraaf essay-contest 2015.
The central theme of the contest was imagination, and in my contribution
I presented the role of imagination in computational materials science,
and why it is so important for this field. 

The original Dutch version of the essay can be found here.

Imagine a world where you can actually see atoms. Even more, you can use them as LEGOs and manipulate them to do your bidding. Imagine a world in which you can switch off the laws of nature, or create new ones which are more to your liking. In such a world, you are in charge. Welcome to my world: the world of “computational materials science“.

It would be a nice start for a commercial for this research field. The accompanying clip would then show images fading into one another of supercomputers and animations of chemical and biochemical processes at the atomic scale. Moving in a fast-forward pace into our future with science-fiction-like orbital labs where calculated materials are immediately transformed into new medicine, ultra-thin screens and applications for the aerospace industry. The ever faster flood of images culminates in the final slogan:”Simulate the future” with a subtext urging you to go study computational materials science. I assume that such a clip would tempt peoples imagination. It addresses our human urge to create, and holds the promise that you can do anything you want, as long as you can imagine it. In fact, your imagination becomes the only limiting factor.

As with most commercial, this one also presents reality slightly more beautiful than it actually is. As for any other scientist in any other field, your contribution to progress as a computational materials scientist is rather more limited than you would like it to be. This is a normal aspect of science. The presented divine omnipotence and omniscience, on the other had, are attainable. As a computational scientist you do have absolute control over the atomic positions and the forces at play. In contrast, an experimental scientist is forced to deal with the quirks of nature and his or her machinery. This omnipotence allows you to create any world you can imagine…inside a computer.

As a scientist, you wish to understand the world around you. This limits the freedom you gained through your omnipotence, unless you would choose to join a team of game-designers. It, however, does not mean that your creativity is curtailed in any way. On the contrary. Where the team of game-designers knows the entire story to be told, including rules and laws of nature relevant for the game world, this is not the case for computational materials science. For the latter it is often their quest to discover the story-line as they go, including relevant laws of nature. As a computational materials scientist, you become the narrator, whose task consist of thinking up new stories time and time again. The narrator, who needs to tweak existing plots, extending or confining story-lines, until the final story fits the shape of reality.

Luckily, you are not alone to bring this daunting task to a successful end. You always have the support of your loyal sidekick: your supercomputer. Using its brute force, your sidekick calculates the effects of any intrigue or plot twist you can imagine. Based on your introductory chapter, in which you describe the world and its natural laws, it will allow the story to unfold. By asking him the right questions, and comparing his answers to reality, you learn which parts of your story don’t really fit reality yet.

How you should rewrite your introductory chapter differs every time. Sometimes it is clear what is going on: an essential character is missing (e.g. an impurity atom which is distorting the crystal lattice), or the character lives at the wrong location (not site A, then let us see about site B?). It becomes more difficult when a character refuses to play the role it was dealt (e.g. Pt atoms that remain invisible for STM, so who is going to play the role of the nanowire we observe?). The most difficult situation occurs with the need for a full rewrite of the introductory chapter. This provides too much freedom, since it is our knowledge of the limitations of reality which provides the necessary support and guidance for drafting the story-line. In such a case, you need an inspiring idea which provides you with a new point of view. Inspiration can come in many forms and at any time, often when least expected. A well-known example is this of the theoretical chemist Kekulé who, in a daydream, saw a snake bite its own tail. As a result Kekulé was able to envision the ring-shape of the benzene molecule. Such wonderful problem solving twists-of-mind are rare. They are often the consequence of long and intense study of a single problem, which drive you to the limit, since they require you to imagine something you have never thought of before. In management-circles this is called “thinking-outside-the-box”, which sound a lot easier than it actually is. It does not mean that all of the sudden everything goes, you always have to bear in mind the actual box you started from.

As a computational materials scientist you have to combine your omnipotence over your virtual world with your power to imagine new worlds, hoping to see a glimmer of reality in the reflections of your silicon chips.

Met dit essay nam ik deel aan de Robbert Dijkgraaf essay-prijs 2015.
Dit jaar was het thema verbeelding, en in mijn bijdrage doe ik een
poging de rol van verbeelding naar voren te brengen binnen
computationeel materiaalonderzoek. Ik probeer eveneens uit te
leggen hoe ik computationeel onderzoek zie als onderzoeksdomein. 

Een vertaling naar het Engels kan hier gevonden worden.

Stel je een wereld voor waarin je atomen kunt zien. Meer nog, je kunt ze stapelen als legoblokken en manipuleren naar eigen goeddunken. Stel je een wereld voor waarin je de natuurwetten kunt aan- of afzetten, een wereld waar je zelf nieuwe natuurwetten kunt schrijven. In zo een wereld heb jij het voor het zeggen. Welkom in mijn wereld, de wereld van het “computationele materiaalonderzoek“.

Het zou een mooi begin zijn van een reclamespot voor dit onderzoeksgebied. In de bijhorende clip krijg je in elkaar overgaande beelden te zien van supercomputers enerzijds en animaties van chemische en biochemische processen op de atomaire schaal anderzijds. Het geheel wordt dan doorgelinkt aan onze eigen toekomst met sciencefictionachtige laboratoria waar de berekende materialen direct worden omgezet tot nieuwe medicijnen, flinterdunne beeldschermen en toepassing voor de ruimtevaart. De steeds sneller elkaar opvolgende beelden culmineren dan in de slotslogan: “Simuleer de toekomst!” met als onderschrift de aansporing om computationeel materiaalonderzoek te gaan studeren. Ik stel me voor dat zo’n reclameclip wel tot de verbeelding zou spreken. Het spreekt onze menselijke drang om te creëren aan met de belofte dat je alles kunt, als je het je maar kunt voorstellen. Je verbeelding is de enige beperkende factor.

Zoals bij de meeste reclamespots wordt ook in deze de werkelijkheid iets mooier voorgesteld dan ze is. Zoals voor elke andere wetenschapper geldt immers dat je bijdrage aan de vooruitgang beperkter is dan je zou willen. De gepresenteerde goddelijke almacht en alwetendheid liggen wel binnen handbereik. Als computationeel onderzoeker heb je immers absolute controle over de plaatsing van atomen en de inwerkende krachten, iets waar een experimenteel onderzoeker deels is overgelaten aan de grillen van de natuur en zijn of haar apparatuur. Deze controlevrijheid laat je toe, binnen een computer, elke wereld te creëren die je maar kunt bedenken.

Als wetenschapper wil je de wereld om je heen begrijpen, wat bovenstaande vrijheden inperkt, tenzij je ervoor kiest om in een team van computergame-designers aan de slag gaan. Dit betekent niet dat je creativiteit wordt beknot, integendeel. Waar bij het ontwerpteam het volledige verhaal bekend is, inclusief de regels en natuurwetten van de wereld waarin je speelt, is dat niet het geval bij computationeel materiaalonderzoek. Meer nog, vaak is het net je opdracht het verhaal gaandeweg te ontdekken, inclusief de natuurwetten die relevant zijn. Je wordt als het ware een verteller die telkens nieuwe verhalen moet bedenken, of bestaande plots moet aanpassen, uitbreiden of beperken, tot de verhaallijn past in de vorm van de werkelijkheid.

Je staat er gelukkig niet alleen voor om een goede afloop te regelen. Je wordt bijgestaan door je trouwe sidekick: je supercomputer. Deze is in staat met brute kracht de gekste plotwendingen door te rekenen. Op basis van jouw inleidende hoofdstuk, waarin je de wereld en haar natuurwetten schetst, zal hij het verhaal verder laten ontplooien. Door dan de juiste vragen te stellen en de antwoorden met de werkelijkheid te vergelijken kom je erachter waar je verhaal nog niet helemaal in de werkelijkheid past.

Hoe je je inleidende hoofdstuk daarop moet aanpassen verschilt per geval. Soms is het duidelijk wat er aan de hand is: er ontbreekt een cruciaal personage (bijvoorbeeld een onzuiverheidsatoom dat het kristaalrooster verstoord) of het personage woont op de foute plaats (toch niet op de plaats van atoom A, atoom B dan maar?). Moeilijker wordt het als sommige personages weigeren de hun toebedeelde rol te spelen (Die platina-atomen zijn onzichtbaar voor de rastertunnelmicroscoop, wie speelt nu de rol van de zichtbare nanodraad?). De lastigste situatie is wanneer een volledige herschrijving van het inleidende hoofdstuk nodig is. Hierdoor krijg je te veel vrijheid in handen, terwijl het net de gekende beperkingen zijn die je houvast geven bij het opstellen van het verhaal. Je hebt dan een idee nodig dat je een link geeft met de werkelijkheid. Inspiratie kan hier velerlei vormen aannemen en op willekeurig moment komen. Een bekende anekdote is deze van de theoretische chemicus Kekulé, die in een dagdroom een slang zichzelf in de staart zag bijten en daardoor de ringvormige structuur van de benzeenmolecule uitdokterde. Zulke wonderlijk probleemoplossende gedachtenkronkels komen zelden spontaan, maar zijn veeleer het gevolg van lang en intens werk op eenzelfde vraagstuk. Dergelijke situaties drijven je tot het uiterste, je moet je immers iets voorstellen waar je nooit eerder aan gedacht hebt. In managementkringen wordt zoiets “buiten het kader denken” genoemd, wat bedrieglijk eenvoudig klinkt. Je mag immers niet vergeten dat voor onderzoek dit niet betekent dat alles plots toegelaten is (met andere woorden, je mag het kader zeker niet uit het oog verliezen bij het dagdromen).

Als computationeel materiaalonderzoeker moet je dus je almacht over je virtuele wereld combineren met je eigen vermogen nieuwe werelden in gedachten te scheppen, in de hoop zo onderweg een glimp van de buitenwereld in je siliciumchip op te vangen.