Teoretisk kjemi er et fagfelt i vekst, blant annet fordi det har vist seg ? v?re et redskap som kan forklare alt fra kjemien i stjerner til hvordan retina i v?re ?yne kan se IR-lys. Det skorter ikke p? eksempler der teoretisk kjemi har forklart eller v?rt nyttig for sv?rt praktiske problemstillinger. Professor Trygve Helgaker, som leder Hylleraas-senteret, forklarer anvendeligheten med at teoretisk kjemi er et generisk redskap som kan brukes innenfor et mangfold av ulike problemstillinger.
Se for deg de pikselerte bildene man kunne ta med mobilkamera i 2003. I dag har oppl?seligheten p? bildene i mobilkameraet blitt mye bedre. P? samme m?te kan teoretisk kjemi og kvantekjemiske beregninger zoome inn p? atomer eller molekyler for ? se n?yaktig hva som skjer. P? denne m?ten kan du zoome inn, ikke bare i rom, men ogs? i tid, p? kjemiske reaksjoner og dette kan v?re sv?rt nyttig i mange sammenhenger. Det har ogs? 澳门葡京手机版app下载sr?det skj?nt, for Trygve Helgaker har n? f?tt to SFFer p? rad: F?rst CTCC (Centre for Theoretical and Computational Chemistry) og n? Hylleraas-senteret. Begge sentrene har v?rt et 澳门葡京手机版app下载 mellom Universitetet i Oslo og Universitetet i Troms? — Norges arktiske universitet. Mens UiT var vertsinstitusjon for CTCC, s? er UiO n? vertsinstitusjon for Hylleraas-senteret.
Satset p? ?det milj?et som kunne bidra mest til livsvitenskap?
- Det er mye vi ikke hadde f?tt til om ikke CTCC hadde fungert s? godt som det gjorde. Da CTCC ble opprettet var teorigruppene i Oslo og Troms? veldig sm?. Hos oss var det Knut F?gri og jeg som var fast ansatt, forteller professor Trygve Helgaker. Milj?et var s?pass lite at vi inns? at vi m?tte 澳门葡京手机版app下载e med Troms? hvis vi skulle ha noe troverdighet og gjennomslagskraft. I tillegg 澳门葡京手机版app下载er vi med eksperimentalister.
F?r CTCC ble opprettet var det kun to fast ansatte teoretiske kjemikere p? UiO: Professor Trygve Helgaker og Knut F?gri, i tillegg til tre studenter og en postdoc. Thomas Bondo Pedersen ble s? ansatt for ? forske p? elektronstruktur, teorigruppens opprinnelige kjerneomr?de.
- Men vi visste at utviklingen etterhvert gikk mot livsvitenskap, sier Helgaker, og derfor satset vi mer på dette. Jeg fortalte den daværende instituttlederen, Svein Stølen, at teoretisk kjemi var det miljøet som kanskje kunne bidra mest til livsvitenskap på instituttet.
Slik kan vi se ?det usynlige?
St?len m? ha blitt overbevist, for de fikk ansette blant andre Michele Cascella som forsker p? det som kalles multiskalamodellering – alts? modeller som er ganske mye st?rre enn i vanlig kvantekjemi, og som er sv?rt komplekse – slik som vi ofte finner i biologien.
- Innenfor livsvitenskap og multiskalmodellering har Cascella blant annet sett p? hvordan vi egentlig kan se infrar?dt lys. Vi skal ikke kunne se det, men vi gj?r det likevel, s? hvordan er det mulig? Infrar?d str?ling best?r av fotoner som i teorien ikke har nok energi til ? kunne p?virke ?yets lyssensorer. Derimot er det slik at hvis to infrar?de fotoner treffer ?yets lyssensor samtidig, s? vil de ha nok energi til ? registreres og dermed kan vi se det allikevel. Men for at dette skal v?re mulig, m? den infrar?de str?lingen v?re intens nok, slik at sannsynlighet for at to fotoner treffer det samme molekylet i ?yet er stor. Dette er et eksempel p? hvordan teoretisk kjemi kan bidra til livsvitenskapen.
Les mer om hvordan vi kan se infrar?dt lys p? titan.uio.no
Professor Odile Eisenstein har ogs? v?rt en viktig ressurs i dette arbeidet. Hun har v?rt ansatt ved senteret i 20 % stilling, men har bidratt til ? hente inn andre dyktige forskere slik som David Balcells. Totalt best?r teorigruppen n? av fem faste vitenskapelig ansatte ved Universitetet i Oslo. I tillegg vil Eisenstein i de neste ?rene v?re ansatt i en 50 % stilling.
- ? sende en intens laserpuls mot et molekyl er en ekstrem handling
Med nytt utstyr f?lger det ogs? nye muligheter. Nylig har det kommet 4. generasjons lasere som ?pner opp for ? studere ekstreme prosesser vi ellers ikke har mulighet for ? studere under kontrollerte forhold.
- Å sende inn en laserpuls, slik vi kan gjøre nå, er en ekstrem handling mot et molekyl. Det er ikke ekstremt vanskelig, men det er komplekst å forstå hva som faktisk skjer, sier Helgaker. Thomas Bondo Pedersen og Simen Kvaal arbeider med hvordan elektronene i molekyler påvirkes av slike pulser.
Helgaker har erfaring med ? se p? hva som skjer med kjemien under ekstreme forhold, for eksempel under magnetfelt som er over hundre ganger sterkere enn det sterkeste magnetfeltet vi klarer ? skape. Disse forholdene finnes p? visse hvite dverger, det siste utviklingstrinnet av middelstore stjerner slik som solen.
- Vi har regnet ut at en ny type kjemisk binding oppst?r i magnetfelt av den styrke som fins p? magnetiske hvite dverger. Allerede i dag observeres atomer p? slike himmellegemer og deres spektra forteller oss hvor sterke magnetfeltene er p? disse stjernene. Vi pr?ver n? beregne spektra for molekyler p? slike stjerner slik at man ogs? kan observere disse. Vi vet at molekyler fins p? ikke-magnetiske hvite dverger og det er all grunn til ? tro at de ogs? fins p? magnetiske hvite dverger. Men uten teoretiske spektra vet man ikke hvor man skal lete.
Les mer om stjernekjemien og de vanvittige magnetfeltene p? titan.uio.no
Norgesmestere i tallknusing
Ved Hylleraas-senteret regnes det med 40 millioner CPU-timer i ?ret. Om du ikke forholder deg til CPU, s? vit at dette er helt vilt mye, s? mye at Hylleraas-senteret er blant Norges st?rste forbrukere av datakraft.
- Det vi driver med er tallknusing – det er lite data inn og lite data ut, men de dataene vi har skjer det ganske mye med underveis. Utfordringen med dagens computere er å utnytte effektivt mange prosesser samtidig. Vi blir tvunget til å endre våre modeller og skrive om våre programmer for å utnytte den enorme regnekapasiteten som blir tilgjengelig i fremtiden, sier Helgaker.
Selv relativt sm? molekyler best?r av mange elektroner og kjerner, noe som gj?r l?sningen av Schr?dinger-ligningen komplisert. En annen komplikasjon er at elektroner i n?rheten av tunge atomkjerner beveger seg opp mot lyshastigheten — vi m? da regne relativistisk og l?se Diracs ligning istedenfor Schr?dingers for ? f? en riktig beskrivelse av virkeligheten. Ekesmpelvis er det slik at visse enzymatisk mekanismer blir beskrevet galt hvis vi ikke tar hensyn til relativitet
- Hvis du for eksempel har en metall-kjerne (metaller dukker for eksempel ofte opp i kroppen som en del av et enzym) vil elektronene rundt denne kjernen kunne n? opp i 90 % av lysets hastighet. Da kan du lett f? galt svar om du ikke beskriver elektronene relativistisk.
S? ? si alle beregninger gj?res med programmer skrevet av gruppens medlemmer eller med store bidrag fra gruppen. For st?tte til utvikling av nye programmer og gj?re tallknusingen p? mest effektig m?te, s? har man ansatt senioringeni?r Simen Reine. Gruppen er s?ledes blitt betraktelig styrket de siste ?rene og heller n? mer i retning av biologien, noe Helgaker understreket at er et strategisk valg med tanke p? framtiden.
Les mer om satsingens seks temaer og forskerne:
Elektronstruktur, ved Thomas Bondo Pedersen
Multiskala modellering, ved Michele Cascella
Spektroskopiske prosesser, ved Thomas Bondo Pedersen
Ekstreme milj?er, ved Trygve Helgeaker