Lederen for forskergruppen, professor Trygve Helgaker, har de siste tretti ?rene v?rt internasjonalt ledende p? ? lage et datasystem som kan beregne kvantekjemiske reaksjoner i molekyler.
Kvantekjemiske beregninger er n?dvendige for ? kunne forklare hva som skjer med elektronbanene inne i et molekyl.
Tenk p? hva som skjer n?r UV-str?ler sender energirike fotoner inn i cellene dine. Det ?ker energien i molekylene. Da kan det hende at noen molekyler blir ?delagt. Det er nettopp det som skjer n?r du soler deg.
– Den ekstra energien vil p?virke oppf?rselen til elektroner og kan ?delegge de kjemiske bindingene i molekylene. Dette kan bare forklares kvantekjemisk. De kvantekjemiske modellene brukes for ? f? et bilde av kreftene og spenningene mellom atomene og elektronene i et molekyl og av hva som skal til for ? f? et molekyl til ? g? i stykker, forteller Trygve Helgaker.
Elektronenes absurde verden
De kvantekjemiske beregningene l?ser schr?dingerligningen for molekyler. Denne ligningen er grunnleggende i all kjemi og beskriver hvor alle elektronene i et molekyl befinner seg. Men her gjelder det ? holde seg fast, for det er mye mer komplisert enn som s?. I fysikktimen p? videreg?ende l?rte du at elektroner g?r i baner rundt atomet. S? enkelt er det ikke i den kvantefysiske verden. Elektroner er ikke bare partikler, men ogs? b?lger. Elektronene kan v?re mange steder, samtidig. Det er ikke mulig ? holde orden p? hvor de er. Det er likevel h?p. De kvantekjemiske modellene beskriver hvor elektronene befinner seg statistisk. Du f?r med andre ord vite sannsynligheten for hvor de enkelte elektronene er.
Resultatene blir ofte enda mer n?yaktige i kvantekjemiske beregninger enn hva som er mulig ? gj?re eksperimentelt.
– De kvantekjemiske beregningene kan blant annet brukes til ? forutsi kjemiske reaksjoner. Da slipper kjemikerne ? gjette og tippe i laboratoriet. Det er ogs? mulig ? bruke kvantekjemiske beregninger til ? forst? hva som skjer i eksperimenter.
MOLEKYLKREFTER: Kvantekjemiske modeller brukes for ? f? et bilde av kreftene og spenningene mellom atomene og elektronene i et molekyl, forteller Simen Reine (t.v.) og Trygve Helgaker, som de siste tretti ?rene v?rt internasjonalt ledende p? ? lage et datasystem som kan beregne kvantekjemiske reaksjoner i molekyler. Foto: Yngve Vogt
Enorme beregninger
Beregningene er blytunge.
– Schr?dingerligningen er en sv?rt komplisert, partiell differensialligning, som ikke kan l?ses eksakt. Vi m? derfor ty til tunge simuleringer, forteller forsker Simen Kvaal.
Beregningene er s? krevende at de benytter en av universitetets raskeste tungregnemaskiner.
– Vi t?yer hele tiden grensene for hva som er mulig. Begrensningene er maskinkapasiteten, sier Helgaker.
For ti ?r siden tok det to uker ? gj?re beregninger p? et molekyl med 140 atomer. N? kan det gj?res p? to minutter.
– Det er 20 000 ganger raskere enn for ti ?r siden. Beregningene g?r 200 ganger raskere fordi datamaskinene har doblet hastigheten sin hver attende m?ned. Og beregningene er blitt ytterligere 100 ganger raskere fordi programvaren stadig er blitt forbedret, forteller senioringeni?r Simen Reine.
I ?r har forskningsgruppen brukt 40 millioner CPU-timer, derav tolv millioner p? tungregnemaskinen p? UiO. Dette er en datamaskin med ti tusen parallelle prosessorer. Da kan ti tusen CPU-timer gj?res unna p? en time.
– Vi fyller alltid opp den ledige kapasiteten i datamaskinen. Jo mer beregningskapasitet, desto st?rre og mer p?litelige beregninger.
Takket v?re enda raskere datamaskiner kan kvantekjemikerne studere stadig st?rre molekyler.
I dag er det lett ? beregne kvantekjemisk hva som skjer i et molekyl med opptil 400 atomer. Med forenklete modeller er det mulig ? studere molekyler med mange tusen atomer. Men da er det visse effekter i molekylet som ikke blir beskrevet detaljert.
N? n?rmer forskerne seg et niv? der de kan studere kvantemekanikken i levende celler.
– Dette er spennende. Molekylene i levende celler kan inneholde mange hundre tusen atomer, men man trenger ikke beskrive hele molekylet kvantemekanisk. Vi kan derfor allerede i dag bidra til ? l?se biologiske problemstillinger.
Elektronjakt i insulinmolekylet
Simen Reine har sammen med Universitetet i ?rhus beregnet spenningene mellom elektronene og atomene i et insulinmolekyl. Et insulinmolekyl best?r av 782 atomer og 3500 elektroner.
Kjemikerne har alts? muligheten til ? kombinere avanserte og enklere modeller. – Det er hele tiden snakk om hvilken presisjon og hvilket detaljniv? du ?nsker p? beregningene. Det beste hadde v?rt ? bruke schr?dingerligningen til alt.
Som et kompromiss kan de i deler av modellen beskrive hvert elektron detaljert, mens de i andre deler av modellen bare ser p? gjennomsnittstall for flere elektroner.
– Vi m? hele tiden finne en god balanse mellom hvilke detaljer vi trenger og hvilke vi ikke har behov for.
Simen Reine har sammen med Universitetet i ?rhus brukt gruppens programvare til ? studere et insulinmolekyl. Et insulinmolekyl best?r av 782 atomer og 3500 elektroner.
– Alle elektronene frast?ter hverandre, samtidig som de trekkes mot atomkjernene. Atomkjernene frast?ter hverandre. Likevel er molekylet stabilt. For ? studere et molekyl med h?y presisjon, m? vi derfor ta hensyn til hvordan alle elektronene beveger seg i forhold til hverandre. Slike beregninger kalles korrelerte og er meget p?litelige.
En komplett, korrelert beregning av insulinmolekylet tar nesten en halv million CPU-timer. Hvis de fikk muligheten til ? kj?re programmet p? universitetets tungregnemaskin, kunne beregningen i teorien ta to d?gn.
– Om ti ?r kan disse beregningene gjennomf?res p? to minutter.
Viktig i medisin
Viserektor Knut F?gri ved UiO p?peker at kvantekjemiske beregninger kan bli viktige innenfor livsvitenskapen.
– Kvantekjemiske beregninger kan bidra til ? beskrive fenomener p? et niv? som kan v?re vanskelig tilgjengelig eksperimentelt, men som ogs? kan fungere som en st?tte i tolking og planlegging av eksperimenter. I dag vil beregningene gi mest nytte innenfor molekyl?rbiologi og biokjemi, mener Knut F?gri.
F?rsteamanuensis Michele Cascella p? Senter for teoretisk og beregningsbasert kjemi er nylig hentet fra Italia for ? bringe kvantekjemien inn i livsvitenskapen.
– Kvantekjemi er en fundamental teori som er viktig for ? forklare molekyl?re hendelser, og den er derfor avgj?rende for ? forst? biologiske systemer, forteller Michele Cascella.
Som eksempel nevner han analyser av enzymer. Enzymer er molekyl?re katalysatorer som forsterker de kjemiske reaksjonene i cellene v?re.
Cascella trekker ogs? frem nanomedisinen, som skal s?rge for ? frakte medisinen langt mer presist ut i kroppen.
– I nanomedisin m? vi forst? fysiske fenomener i nanoskala og f? et mest mulig korrekt bilde av molekyl?re fenomener. Da er kvantekjemiske beregninger viktige, forteller Michele Cascella.
Proteiner og enzymer
Professor K. Kristoffer Andersson p? Institutt for biovitenskap bruker den enklere formen for kvantekjemiske beregninger for ? studere detaljer i proteinstrukturer og hvordan enzymer fungerer kjemisk.
– Det er viktig ? forst? den kjemiske reaksjonsmekanismen og hvordan enzymer og proteiner fungerer. Med kvantekjemiske beregninger kan vi l?re mer om hvordan proteinene utf?rer oppgavene sine, trinn for trinn. Vi kan ogs? bruke beregningene til ? se p? aktiveringsenergien, alts? hvor mye energi som trengs for ? komme til en bestemt tilstand. Det er derfor viktig ? forst? de kjemiske reaksjonsm?nstrene i biologiske molekyler for ? kunne utvikle nye medikamenter, forteller Andersson.
澳门葡京手机版app下载en hans kan ogs? brukes til ? finne medisiner mot kreft. Det gj?r han ved ? unders?ke radikalere, som kan v?re viktige i kreft. Blant annet ser han p? metall-ioner i proteiner. Dette er ioner med et stort antall protoner, n?ytroner og elektroner.
Fotosyntesen
Professor Einar Uggerud ved Kjemisk institutt har avsl?rt en helt ny kjemisk bindingsform med avanserte eksperimenter og kvantekjemiske beregninger.
Sammen med stipendiat Glenn Miller har Uggerud funnet et uvanlig skj?rt n?kkelmolekyl, i en drageformet struktur, best?ende av magnesium, karbon og oksygen. Molekylet kan gi en ny forst?else av fotosyntesen. Fotosyntesen, som er grunnlaget for alt liv, omdanner CO2 til sukkermolekyler.
Molekylet reagerer s? hurtig med vann og andre molekyler, at det bare har v?rt mulig ? studere det isolert fra andre molekyler, i et vakuumkammer.
– Tiden vil vise om molekylet virkelig har en viktig sammenheng med fotosyntesen, forteller Einar Uggerud.