Insulin: Det elektrostatiske potensialet rundt insulin-molekylet som består av 787 atomer er beregnet ved å løse Schrödinger-ligningen for alle elektronene i molekylet. Utfordringen i slike beregninger er å bestemme hvordan elektronenes bevegelser gjensidig påvirker hverandre (elektronkorrelasjon). Beregningene er de mest avanserte som er gjort noen gang på så store molekyler og er gjennomført ved hjelp av Dalton-programmet, utviklet av senterets medlemmer. (Bilde: Hylleraas Centre for Quantum Molecular Sciences)

Teoretisk kjemi

Superdatamaskiner erstatter laboratoriene: Her skal avanserte kjemiske forsøk kun gjennomføres i teorien

Norge skal forsterke miljøene som arbeider med teoretisk kvantefysikk.

Det å bli en såkalt SFF - Senter for fremragende forskning er de fleste forskningsmiljøers ønskedrøm. Da vanker det mye penger i mange år. Nærmere bestemt 15 millioner kroner i året over ti år.

Ti nye slike sentere har nettopp fått lønn for sitt langvarige intellektuelle strev i hard konkurranse mellom 150 norske miljøer.

Blant dem er Hylleraas Centre for Quantum Molecular Sciences. De neste ti årene skal de bidra til mer og dypere kunnskap om atomers og molekylers kjemi og fysikk, og hvordan millioner av dem fungerer i biologiske systemer.

Det skal de gjøre uten fysiske eksperimenter. 

Teoretisk kjemi

Hylleraas Centre for Quantum Molecular Sciences er oppkalt etter den norske kvantefysikeren Egil Andersen Hylleraas (1898–1965). 

Han var en av pionerene i kvantefysikken på 1920-tallet og professor i teoretisk fysikk ved Universitetet i Oslo (UiO) fra 1937.

Kvantekjemiker: Trygve Helgakergleder seg over at Norge vil satse på Hylleraas Centre for Quantum Molecular Sciences.
Kvantekjemiker: Trygve Helgakergleder seg over at Norge vil satse på Hylleraas Centre for Quantum Molecular Sciences. Foto: ORV

Selv om teorien rundt kvantemekanikken ble etablert av Niels Bohr og andre, var Hylleraas den første som var i stand til å vise dens generelle gyldighet ved å beregne energien for elektronenes grunntilstand i heliumatomet.

Ved Hylleraas er det kvantekjemi som gjelder. 

Utenfor Norge, blant annet i Lund i Sverige, bygges det opp enorme anlegg for å studere materie ved å bestråle dem med intense røntgenlasere. Slike anlegg koster milliarder av kroner og er langt utenfor Forskningsrådet budsjetter.

Men som så mye i dag kan fysiske eksperimenter, enten det er hvordan en bil oppfører seg under en kollisjon, eller hvordan atomkjerner og elektroner påvirkes av kraftige strålingsfelt, beregnes teoretisk. Bilkollisjoner er godt forstått og utviklet i programvare. I den teoretiske kjemien, som er basert på kvantefysikk, er det mye igjen.

– Vår jobb er å utføre eksperimentene teoretisk med det vi kaller kvantekjemi i stedet for ekstremt kostbare eksperimenter. Det går ut på å løse Schrödinger-ligningen for de systemer som studeres eksperimentelt. Da får vi innsikt i hvordan atomkjerner og elektroner oppfører seg når vi for eksempel bestråler dem med laserlys. Det vi vet er at kjernene og elektronene følger lovene som defineres av kvantemekanikken, men å regne ut bølgefunksjonene krever svært stor regnekraft, sier Helgaker.

Håndtering av enorme systemer: Molekyler i biologiske systemer er en utfordring for beregningsteknologien, slik som dette fra E. coli-bakterien. For å kunne regne på dette er det viktig at behovet for regnekraft ikke øker eksponentielt. Målet er derfor det man kaller multiskala modellering og som gjør at man slipper unna med en lineær økning av regnekraften.
Håndtering av enorme systemer: Molekyler i biologiske systemer er en utfordring for beregningsteknologien, slik som dette fra E. coli-bakterien. For å kunne regne på dette er det viktig at behovet for regnekraft ikke øker eksponentielt. Målet er derfor det man kaller multiskala modellering og som gjør at man slipper unna med en lineær økning av regnekraften. Foto: Hylleraas Centre for Quantum Molecular Sciences

Regnekraft

I takt med tilgangen på regnekraft har teoretisk kjemi utviklet seg voldsomt de siste 20 årene. I dag går praktiske og teoretiske forsøk hånd i hånd og gjør at vi har en mye mer fundamental forståelse av «kjemiens indre liv».

– Superdatakraft har vært fundamentalt for denne utviklingen, men ikke nok. Vi trenger også å utvikle matematikken og algoritmene for å gjøre dette effektivt. Da kan vi regne på større systemer, slik som de millioner av atomer vi finner i cellemembraner.

Helgaker mener det er svært mange bruksområder for slik kunnskap i fremtiden. Man trenger eksempelvis teorikunnskaper for å forstå gassfasereaksjoner. Det kan bidra til å forbedre metodene for fjerning av CO2 og hvordan ozon påvirker andre systemer. Han peker på farmasi som et felt som har stor nytteeffekt av beregningene.  

– Vi trenger å kunne pukke ut de mest lovende molekylene av utallige som kan brukes til medisiner. Da må vi ha en helt annen innsikt i hvordan de henger sammen og hvordan de interagerer med biologiske systemer, sier han.

Utenomjordisk kunnskap

Teoretisk kvantekjemi gjør det også mulig å finne ut hvordan kjemi fungerer under helt andre betingelser enn de vi har her på jorden.

– Selv de kraftigste magnetene vi har tilgang til kan ikke måle seg med noe i nærheten av det vi finner i hvite dverger. Under slike betingelser med tusenvis av Tesla blir kjemien helt annerledes enn den er på jorden. Det er bare teoretisk kvantekjemi som kan finne ut hva som skjer under slike forhold, sier han.

– Vi har allerede vist at atomer under slike betingelser binder seg til molekyler på en annen måte enn på jorden.

60 forskere involvert

Den nye bevilgningen fra Forskningsrådet kan på en del områder ses som en videreføring av programmet CTCC - Centre for Theoretical and Computational Chemistry.

Det betyr at de som har utviklet spesialkompetanse på området kan få muligheten til å jobbe videre med den. Rundt 60 personer kommer til å være involvert i forskningen.

I de neste ti årene skal de bidra til mer og dypere kunnskap om atomers og molekylers kjemi og fysikk, og hvordan millioner av dem fungerer i biologiske systemer.

– Slike sentre opprettes for fem år av gangen, men om de bygger opp kompetansen som forutsatt så blir perioden forlenget til ti år. Går dette som det skal, og det regner vi med, vil vi motta 158 millioner kroner i perioden. Vi skal dele bevilgningen likt med Universitetet i Tromsø, (UiT) men 28 millioner kroner er satt av til tungregning. Frem til i dag har ikke regnekostnader vært belastet prosjektene, men fra nå skal de det. I tillegg til midlene fra Forskningsrådet vil UiO bevilge to millioner kroner i året og UiT vil bevilge noe tilsvarende, sier professor i teoretisk kjemi ved UiO, Trygve Helgaker.

Kommentarer (3)

Kommentarer (3)