Fra kvantemekanikk til ingeniørkunst

MOLEKYLÆRE MODELLERINGSVERKTØY anvendes innenfor stadig nye teknologi- og forskningsområder. Samtidig som modelleringsverktøyene har blitt kraftigere, ligger det innenfor mange teknologiområder muligheter i å forstå og manipulere fenomener på atomært nivå. Fysikere utviklet allerede på 1930-tallet forståelsen av kreftene som virker på atomært nivå.

Fagfeltet som er bygd rundt denne innsikten er kvantemekanikken og en av de sentrale formuleringene er Schrödinger-ligningen. Fra denne ligningen kan energinivåene i et atom bestemmes, noe som igjen kan brukes til å utlede de fleste atomære og molekylære egenskaper. Atomene er jo byggesteinene vår verden består av, og i prinsippet kunne man jo tro at denne forståelsen ville ha enorm betydning for alt fra medisin til materialteknologi. Det har likevel vært mange områder hvor kvantemekanikken i lang tid har hatt liten eller ingen betydning.

Problemet har vært at mens at ett gram av et materiale består av noe i størrelsesorden av 1023 atomer, så er Schrödinger-ligningen bare analytisk løsbar for hydrogenatomet (et atom og et elektron). Fysikeren Paul Dirac formulerte problemet på denne måten: «de underleggende fysiske lover påkrevd for matematiske teorier for en stor del av fysikken og alt av kjemi er fullstendig kjente, den eneste vanskeligheten er at eksakt anvendelse av disse lovene medfører ligninger som er alt for kompliserte for å være løsbare».

DE SISTE 30 ÅR har likevel modeller basert på kvantemekanikken og slike verktøy fått stadig større utbredelse. To av de viktigste årsakene til den økte anvendelsen har vært utviklingen i kvantemekaniske modeller og utviklingen av regnekraft på datamaskiner. Det er utviklet mange approksimative kvantemekaniske metoder som kan håndtere flere hundre atomer. I en del sammenhenger gir slike modeller resultater kvalitativt gode resultater, på høyde med eksperimentelle data. I andre sammenhenger hvor modellene ikke kan gi svar av kvantitativ kvalitet, kan de likevel gi innsikt i et fenomen. Nobelinstituttet anerkjente utviklingen av slike modeller i 1998 ved å gi nobelprisen til John Pople og Walter Kohn for deres bidrag til å utvikle teoretiske modeller for forståelse av molekyler og kjemiske prosesser.

Den første kommersielle anvendelse av kvantemekaniske beregninger kom innenfor farmasøytisk industri. Dette skyldtes betydningen av molekylær innsikt for å kunne manipulere biologiske prosesser. Farmasøytiske selskaper har også hatt ressurser til å satse på nye former for teknologi. Et annet område hvor kvantemekaniske beregninger ble tatt i bruk relativt tidlig er katalyse. En katalytisk prosess styres vanligvis av noen få kjemiske reaksjonstrinn mellom noen få molekyler. Beregninger som kan brukes til å predikere reaksjonsenergier for forskjellige katalytiske prosesser kan være til stor hjelp i søken etter katalysatorer med optimale egenskaper.

KVANTEMEKANISKE BEREGNINGER, sammen med andre molekylmodelleringsverktøy har i senere år blitt mer utbredt innenfor nye felt. For eksempel for studier av polymere, metaller, nanostrukturerte materialer og separasjonsprosesser. Fortsatt er det imidlertid mange problemer hvor anvendelse av kvantemekaniske beregninger kan være svært utfordrende. Å studere et problem med kvantemekaniske beregninger er litt som å bruke et ekstremt kraftig mikroskop. Det kan være vanskelig å finne de kritiske fenomenene man bør studere i detalj, og det er vanskelig å studere fenomener som spenner over større områder eller lengre tidsrom.

Å regne på store mengder atomer samtidig vil alltid være vanskelig med kvantemekaniske beregninger. Utviklinger går i dag mot at man bruker kvantemekaniske modeller til å beregne egenskapene til grupper med molekyler. Resultatene fra disse modellene kan så brukes som parametere for modeller med grovere oppløsning, for eksempel fluiddynamiske modeller. Den andre store utfordringen er hvordan studere komplekse fysiske fenomen hvor man ikke vet hvilke molekyler og mekanismer som spiller den avgjørende rollen. I slike tilfeller vil man være avhengig av å utnytte både eksperimentelle teknikker og modelleringsverktøy for å skape ny innsikt.

RESULTATET AV DENNE utviklingen er modelleringsverktøy med stadig mer robuste prediktive egenskaper. I fremtiden vil kanskje nye materialer og kjemiske produkter få en utviklingsprosess som ligner på den vi i dag har for byggverk, biler og fly. Det vil si at design og modellering på molekylstrukturer gjøres på datamaskiner før produksjon av materialer og kjemikalier i det hele tatt blir påbegynt.