For de aller fleste fremst?r kjemi som et eksperimentelt fag. Fra skoledagene assosierer vi gjerne kjemi med farlige kjemikalier, mystiske l?sninger, reagensr?r og bunsenbrennere. Historisk sett er dette p? mange m?ter et riktig bilde. De kunnskaper som vi i dag har om kjemiske stoffer, er bygd opp etter utallige eksperimenter, hvis resultater er blitt systematisert og sammenfattet p? grunnlag av ulike teorier. For mange er det nettopp dette empiriske aspektet av kjemien som gj?r den morsom og spennende; andre synes derimot at det gj?r kjemien vanskelig og utilgjengelig.
Mange blir derfor ofte overrasket n?r de f?r vite at mye av dagens kjemiske forskning ikke foreg?r p? et tradisjonelt laboratorium, men p? datamaskiner – et virtuelt laboratorium. Med datamaskiner kan vi i dag l?se ligninger med over en milliard ukjente og p? den m?ten beregne egenskapene av ukjente forbindelser og teoretisk forutsi produktene av en kjemisk reaksjon. I mange sammenhenger er faktisk resultatene av slike beregninger mer n?yaktige enn av de tilsvarende eksperimentelle unders?kelser. Eksempelvis kan vi ofte beregne strukturen av en kjemisk forbindelse med st?rre presisjon enn det er mulig ? m?le den med. Likeledes kan vi med stor p?litelighet beregne b?lgelengde og intensitet av den str?ling (lys) som utsendes eller oppfanges av molekyler.
H vordan er slike beregninger blitt mulige, og hvordan gj?res de? Kjemiske systemer er meget kompliserte. Det enkle vannmolekylet best?r eksempelvis av to hydrogenatomer bundet til ett oksygenatom. Hvert hydrogenatom best?r av en tung positiv atomkjerne og et lett negativt elektron, mens oksygenatomet best?r av ?tte elektroner og en tung kjerne. Vannmolekylets egenskaper (dets struktur og dets reaktivitet) er et resultat av gjensidige vekselvirkninger mellom disse elektronene og kjernene. Til enhver tid vil elektronene s?ke fra hverandre og trekkes mot kjernene, mens kjernene p? sin side unng?r hverandre og s?ker mot elektronene. Som et resultat av disse vekselvirkningene dannes en karakteristisk molekyl?r struktur, der de tunge atomkjernene knyttes til hverandre av elektroner som foretar en evig runddans omkring dem.
MOLEKYL: Computergrafikk som framstiller elektrontettheten rundt et molekyl.
Et slikt enkelt bilde av molekylene er nyttig. Det kan dessuten forfines p? ulike m?ter og danne utgangspunktet for enkle kjemiske modellbeskrivelser som kan v?re nyttige n?r vi skal forutsi molekylenes oppf?rsel eller tolke eksperimenter. Men for ? kunne gjennomf?re n?yaktige beregninger av molekylenes struktur og reaktivitet, m? vi benytte presise fysiske lover og matematiske ligninger.
N ewtons velkjente klassiske mekanikk fra slutten av 1600-tallet danner utgangspunktet for v?r beskrivelse av alle dagligdagse (makroskopiske) systemer. Disse lovene benyttes eksempelvis til ? simulere bevegelsene av fly eller biler, men de har ingen gyldighet for mikroskopiske partikler som elektroner og atomkjerner. For slike systemer m? vi isteden benytte kvantemekanikkens lover, som ble oppdaget p? 1920-tallet, da fysikere for f?rste gang var i stand til ? studere sm? systemer som atomer og molekyler.
Kvantemekanikken beskriver s?ledes systemer som vi ikke har erfaring med fra dagliglivet. Den er derfor naturlig nok mindre tilgjengelig og mindre anskuelig enn Newtons mekanikk, og den inneholder elementer som mange finner besynderlige og selvmotsigende. Ikke desto mindre gir den i motsetning til klassisk mekanikk, en meget presis beskrivelse av mikroskopiske systemer som atomer og molekyler. En simulering av kjemiske systemer p? datamaskiner m? derfor ta utgangspunkt i kvantemekanikkens lover.
Da kvanteteorien ble formulert i begynnelsen av forrige ?rhundre, ble den umiddelbart anvendt p? de enkleste kjemiske systemer: hydrogenatomet og heliumatomet. Hydrogenatomet byr p? f? problemer, da det kun best?r av ett elektron (i tillegg til en stasjon?r kjerne). Heliumatomet er mer interessant da det er det enkleste system med mer enn ett elektron. Hvis man skulle ha h?p om at kvantemekanikken skal virke for systemer av flere hundre eller flere tusen elektroner, m?tte man f?rst f? det til ? virke for to elektroner.
I 1929 beregnet Egil A. Hylleraas ved Universitetet i Oslo energiniv?ene i heliumatomet og fant at kvantemekanikken gir resultater i full overensstemmelse med de eksperimentelle observasjoner. Disse beregningene var epokegj?rende da de viste at kjemiske systemer i prinsippet kunne studeres p? et rent matematisk grunnlag. I det samme ?ret skrev den store engelske fysikeren Paul A. M. Dirac: ”The underlying physical laws necessary for the mathematical theory of a large part of physics and the whole of chemistry are thus completely known, and the difficulty is only that the exact application of these laws lead to equations much too complicated to be soluble.”
Den vanskeligheten som Dirac refererer til, er mangepartikkelproblemet : I prinsippet er de matematiske ligninger som bestemmer partiklenes oppf?rsel enkle, men i praksis byr det p? store problemer ? behandle samtidig et stort antall slike partikler. Da alle partiklene hele tiden beveger seg i forhold til hverandre, er det meget vanskelig ? beregne deres gjensidige p?virkninger p? en n?yaktig m?te. Problemet er av en s? uoverskuelig natur at man inntil midten av det forrige ?rhundre betraktet det som ul?selig unntatt for sm? systemer som heliumatomet.
L ?sningen kom fra et helt uventet hold, med utviklingen av elektroniske datamaskiner etter den annen verdenskrig. Med slike maskiner kunne man angripe det kjemiske mangepartikkelproblemet p? ny og beskrive molekylene matematisk med langt st?rre presisjon enn tidligere. Dette f?rte til at kvantekjemien p? 1960-tallet oppstod som et selvstendig forskningsfelt. S?rlig i l?pet av de siste par ti?r har kvantekjemien fremst?tt som et viktig omr?de av den moderne kjemi, med anvendelser langt utover spesialistenes rekker. Da Nobelprisen i kjemi for 1998 ble tildelt Walter Kohn og John A. Pople for deres bidrag til utviklingen av kvantekjemien, var dette samtidig en anerkjennelse av den sentrale rolle kvantekjemiske beregninger n? spiller i kjemisk forskning.
Kvantekjemien er den delen av kjemien som beskjeftiger seg med anvendelse av kvantemekanikken p? kjemiske systemer – molekyler og faste stoffer. Den skiller seg fra annen kjemi ved at den modellerer de kjemiske prosessene med utgangspunkt i de fundamentale fysiske lovene, uten ? benytte informasjon fra kjemiske eksperimenter. Kvantekjemien er spennende fordi den foreg?r ved at vi p? datamaskiner danner selvstendige, virtuelle kjemiske systemer fra scratch , for s? ? observere hvordan disse systemene oppf?rer seg. Denne fremgangsm?ten har den klare fordelen at vi kan studere systemer som er utilgjengelige i et laboratorium – fordi de er for kostbare, for farlige eller for reaktive til ? eksistere under normale laboratorieforhold. Samtidig kan beregningene benyttes som et supplement til eksperimenter og bidra til oppklaring av tvetydige eller uklare observasjoner.
U tviklingen av kvantekjemi foreg?r i et spennende krysningspunkt mellom moderne kjemi, fysikk, matematikk og informatikk. Mens m?let er ? l?se kjemiske problemer med utgangspunkt i fysikkens fundamentale lover, s? er metodene matematiske og redskapene datamaskiner. For ? kunne beskrive kjemiske systemer p? en n?yaktig m?te, m? vi l?se ligninger med et stort antall ukjente, ofte flere hundre millioner. For ? kunne benytte datamaskiner l?ses disse ligningene som en serie element?re matematiske operasjoner, best?ende av kanskje en million milliard (10^15) addisjoner og multiplikasjoner. Det sier seg selv at vi da er avhengige av ? benytte effektive numeriske metoder og kraftige regnemaskiner. Men vel s? viktig er det ? utvikle de grunnleggende kvantekjemiske modellene videre slik at de kjemiske systemene blir beskrevet p? en mest mulig kompakt og enkel m?te, uten at dette g?r utover n?yaktigheten i beskrivelsen.
K vantekjemien er metodisk beslektet med en rekke andre fagfelter der den fysiske verden beskrives matematisk ved hjelp av datamaskiner. Et godt eksempel er flysimuleringer. Mens man i gamle dager bygde fysiske flymodeller som ble testet i vindtunneler, simulerer man i dag flyene n?yaktigere og billigere p? datamaskiner. Et annet eksempel er v?rmeldingen, som er basert p? simuleringer av atmosf?ren. En fellesbetegnelse for slike fagomr?der er computational science , som i fremtiden vil inng? som en studievei ved Universitetet i Oslo.
Kvantekjemi er et aktivt forskningsomr?de p? Kjemisk institutt ved Universitetet i Oslo. Gruppen for teoretisk kjemi er en av de st?rste datamaskinbrukere i Norge og har i 澳门葡京手机版app下载 med andre kvantekjemikere i Skandinavia utviklet Dalton – ett av de mest kraftfulle kvantekjemiske programsystemer i verden, lisensiert til over 800 forskningsgrupper verden over. Utviklingen av slike programmer er en spennende prosess der kjemi, fysikk, matematikk og databehandling inng?r som n?dvendige elementer. Studenter med hovedfag eller doktorgrad i kvantekjemi f?r derfor en bred faglig bakgrunn, som gj?r dem godt skikket til mange ulike arbeidsoppgaver i samfunnet – i skolen, i industriell kjemisk forskning eller i mer generelle anvendelser av databehandling.