Ford?yelse, aldring og vannrensing har en viktig ting til felles: Alt handler om hvordan kjemiske forbindelser brytes ned.
Maten du spiser, blir brutt ned til mindre deler. Det er n?dvendig. N?r du blir gammel, brytes cellene i kroppen ned. Det er ikke like morsomt. Og drikkevannet ditt? Vannet renses ved ? bryte ned og ufarliggj?re u?nskete stoffer.
Det er fortsatt ikke godt nok forst?tt hvordan den kjemiske nedbrytingen skjer p? atomniv?. Og det er nettopp dette stipendiat Sverre L?yland forsker p?. Han tar doktorgraden sin p? Hylleraas-senteret, et senter for fremragende forskning knyttet til universitetene i Oslo og Troms?. Spesialet deres er kvantekjemiske beregninger p? datamaskinen. Her simulerer forskerne hvor atomene og elektronene til enhver tid befinner seg i en kjemisk reaksjon.
Nedbryting
Nedbryting av stoffer, uansett om vi snakker om ford?yelse, aldring eller vannrensing, skyldes at stoffene blir utsatt for noen sm? og veldig aggressive forbindelser.
Vi har mange typer av dem i kroppen, b?de p? godt og vondt. Vi har dem ogs? i atmosf?ren. Det skal vi v?re glade for. For eksempel bryter de aggressive forbindelsene ned klimagassen metan, som popper opp fra myrer og ku-raping, samt s?kalte VOC-gasser. Dette er en stor gruppe flyktige, organiske forbindelser som ikke bare slippes ut fra industrien, men som ogs? siver ut fra tr?r.
Aggressive radikalere
Kj?rt barn har mange navn. Kjemikerne kaller de sm? og aggressive, kjemiske forbindelsene for reaktive oksygenspecier. Forkortelsen er ROS. Noen kaller dem for aggressive radikalere. Uansett navn:
– De finnes nesten overalt og reagerer sv?rt lett med andre stoffer, forteller Sverre L?yland.
Han studerer et knippe av dem i noen helt spesielle settinger. Et av dem er hydroksyl, med den kjemiske formelen er OH. For dem som er kjent med kjemikernes notasjonsverden, er det lett ? se at OH best?r av ett oksygenatom (O) og ett hydrogenatom (H).
Det eneste som skiller OH fra vann (H2O), er antall hydrogenatomer. OH har bare ett hydrogenatom, mens vann har to. OH er sv?rt ustabilt.
– OH kan derfor knabbe et hydrogenatom fra nesten hva som helst.
Mikroskopiske bobler
Sverre L?yland unders?ker hvordan OH bryter ned giftstoffer i vann. For ? klare det, m? han lage denne spesielle forbindelsen. Det gj?r han ved ? sende ultralyd ned i vannet. Dette er et eget fagomr?de i kjemi, kalt sonokjemi, som handler om hvordan kjemiske reaksjoner kan utl?ses med lyd.
– Lyd er vibrasjoner. Hvis man har tilstrekkelig mye ultralyd i vann, vil vannet begynne ? vibrere.
N?r vannet vibrerer, vil trykket variere. I noen omr?der vil trykket v?re h?yt, andre steder lavt.
– I omr?det med lavt trykk oppst?r det mikroskopiske bobler. Boblene vibrerer og vokser i takt med lydb?lgene. N?r boblene har n?dd en kritisk st?rrelse, kollapser de.
Og der, midt under kollapsen, skjer det utrolige: Temperaturen i de sammentrykte boblene er like h?y som p? solens overflate. Trykket er enda st?rre enn p? bunnen i Jordas dypeste havgroper.
– Situasjonen i boblene er s? ekstrem at vannet spaltes til OH. De er sv?rt aggressive. Hvis du har urenheter i vannet, vil OH reagere ved blant annet ? ta hydrogenatomer fra dem. Da brytes urenhetene ned. Og det er nettopp det som er s? fint med denne metoden. Du trenger ikke rense vann med kjemiske stoffer. Det eneste du trenger er lyd.
Ikke godt nok kjent
For ? v?re helt presis; Sverre L?yland forsker p? hva som skjer i starten av de kjemiske reaksjonene n?r de aggressive radikalerne reagerer med og bryter ned urenhetene i vann.
Et eksempel p? slike urenheter er aromatiske stoffer. De har f?tt betegnelsen p? grunn av en spesiell lukt. Mange av de aromatiske stoffene er kreftfremkallende.
Eksperimentet hans er dobbelt. Han l?ser aromatiske stoffer i vann, setter p? ultralyd og ser hvordan stoffene brytes ned. Ved hjelp av noe som kalles for massespektrometri, kan han m?le mengden av de ulike molekylene f?r og etter den kjemiske reaksjonen.
Selv om han da f?r vite hvordan tilstanden var b?de f?r og etter, vet han likevel ikke hvordan den kjemiske reaksjonen har skjedd.
Simulerer atomer og elektroner
Og det er da vi er kommet til det store poenget hans. L?yland bruker en tungregnemaskin til ? simulere hvilke kjemiske reaksjoner som kan ha skjedd. Her er det alts? snakk om kvantekjemiske beregninger. Takket v?re disse beregningene f?r forskeren presis oversikt over bevegelsene til alle atomene og elektronene. Selv om datamaskinen er av det sv?rt s? kraftige slaget, tar hver av simuleringene likevel s? mye som 24 timer.
– I datamaskinen kan jeg se p? hvor mye energi som kreves for de ulike kjemiske reaksjonene. Da kan jeg finne den reaksjonen som krever minst energi.
N?r han gjennom simuleringene har funnet den mest sannsynlige kjemiske reaksjonen, sjekker han om han fikk den samme fordelingen av kjemiske stoffer i det vaskeekte eksperimentet i vannglasset.
– Hvis jeg f?r den samme fordelingen av stoffer, er det rimelig ? anta at hypotesen min stemmer.
– Hvorfor er denne forskningen viktig?
– Nedbrytningsprosesser er universelle. De p?g?r hele tiden, uansett om vi snakker om noe som skjer i naturen eller i kroppen v?r. Det er viktig ? skj?nne hvordan nedbrytingen foreg?r i detalj for ? l?re mer om hvordan vi kan hindre u?nsket nedbryting, slik som ? unng? DNA-skader, eller ? utnytte nedbrytingen enda bedre, slik som ? rense utslippsvann fra industrien med f?rre kjemikaler. Hvis vi skj?nner helt n?yaktig hvordan denne nedbrytingen foreg?r, kan vi lage nye og billigere kjemiske forbindelser p? en gr?nnere m?te. Det kaller jeg lyden av god kjemi.