Bladet Forskning

Kjemisk forskning uten kjemikalier

Professor Kenneth Ruud kan gjøre kjemiske forsøk uten å bruke et eneste kjemisk stoff - han bygger isteden matematiske modeller av kjemiske forbindelser og lar datamaskinen regne ut hvordan de kommer til å reagere med hverandre. Legemiddelindustrien, klimaforskerne og mange andre følger spent med, for dette åpner helt nye muligheter.

Skrevet av: bjarne røsjø

TORSK: Figuren viser resultatet av beregninger om hvordan et enzym som finnes i torsk (Cod-UDG), binder seg til torskens DNA. (Foto: © Magne Olufsen, Norstruct)

Det kan diskuteres om det var britiske Robert Boyle som grunnla den moderne kjemien på 1600-tallet, eller om det var franskmannen Antoine Lavoisier og briten John Dalton på 1800-tallet. Men én ting er sikkert, nemlig at ingen av dem kunne tenkt seg at det en gang i fremtiden skulle bli mulig å drive kjemisk forskning uten å bruke kjemiske stoffer. Datateknologien har nemlig skapt en revolusjon også i kjemifaget, på den måten at stadig flere eksperimenter blir gjort med matematiske modeller istedenfor med kjemikalier og laboratorieutstyr.

Professor Kenneth Ruud (Foto: UiTø)

Grunnlaget for den såkalte beregningskjemien ble lagt av den østerrikske fysikeren Erwin Schrödinger, som i 1926 formulerte en berømt matematisk likning som beskriver bevegelsene og vekselvirkningene mellom partiklene i kjemiske forbindelser. Schrödinger-likningen er rett og slett en naturlov beskrevet i et matematisk språk. Den britiske fysikeren Paul Dirac skal også nevnes: Han grunnla kvantemekanikken og mottok nobelprisen i fysikk sammen med Schrödinger i 1933.

– Det var et stort fremskritt da Schrödinger og Dirac avslørte naturlovene som styrer elektronenes og protonenes bevegelser og vekselvirkninger med hverandre. Men de klarte ikke å forutse at datateknologien ville gjøre det mulig å løse de kompliserte likningene og bruke dem til å lage modeller av kjemiske reaksjoner. Dette er likninger som selv ikke de kraftigste datamaskinene makter å regne ut helt nøyaktig, men vi kan isteden bruke datakraft til å beregne tilnærmede svar som kan være gode nok, forteller Kenneth Ruud.

Internasjonal tungvekter

Norge er en internasjonal tungvekter innenfor beregningskjemi, med flere topp internasjonale forskningsgrupper. Kenneth Ruud er en meget anerkjent forsker med 153 vitenskapelige publiseringer og mer enn 3000 siteringer på samvittigheten, til tross for sine 38 unge år. Han er opprinnelig fra Fredrikstad og tok sin kjemiutdannelse i Oslo, før han reiste til University of California i San Diego som postdoktor. Deretter flyttet han til Tromsø, hvor han har funnet seg godt til rette på grunn av fantastisk natur og et godt forskningsmiljø.

Stadig flere eksperimenter blir gjort med matematiske modeller istedenfor med kjemikalier og laboratorieutstyr.

Ruud ble professor i en alder av bare 32 år, og i 2004 ble han tildelt forskningsstøtte gjennom Forskningsrådets ordning for Yngre fremragende forskere (YFF). I april 2007 ble han den første nordiske forskeren som fikk tildelt Dirac-medaljen, som utdeles hvert år av World Association of Theoretical and Computational Chemists. I desember 2006 fikk han, sammen med åtte kolleger i Oslo og Tromsø, også gjennomslag for søknaden om å opprette et Senter for fremragende forskning, og nå takker han for tilliten og ser fram til å bygge opp en ny forskningsenhet.

– Vi ser en rekke fordeler ved å gjennomføre kjemiske eksperimenter i datamaskinen istedenfor i laboratoriet. Hvis man for eksempel har et sett molekyler med en mulig medisinsk virkning, kan vi forsøke å beregne hvilke som er mest effektive. Det betyr at kjemikere eller farmasøyter kan slippe å lage alle molekylene, men isteden konsentrere seg om de som virker mest lovende, forteller Ruud.

Også klimaforskerne kan ha nytte av beregningskjemi. – De trenger for eksempel å vite mer om reaksjonene som foregår når ozonlaget brytes ned. Teoretiske beregninger av reaksjoner som foregår i atmosfæren, kan gi viktige bidrag til å forstå de eksperimentelle observasjonene, forteller Ruud.

Oppbyggingsfasen

Da SFF-tildelingen ble klar, begynte Ruud og de andre nøkkelpersonene straks å utforme mer detaljerte planer for oppbyggingen av senteret. – Senteret er symmetrisk delt mellom Universitetet i Tromsø (UiTø) og Universitetet i Oslo (UiO), hvor professor Trygve Helgaker er nodeleder. Helgaker er for øvrig Norges mest siterte kjemiker de siste ti årene og fikk UiOs forskningspris i fjor for sitt arbeid innenfor kvantekjemi, så han er en meget verdifull person for oss. Vi skal blant annet satse på en tettere integrering mellom teoretiske og eksperimentelle aktiviteter. I senteret inngår derfor en rekke sterke eksperimentelle grupper, som arbeider i områder der teoretiske beregninger kan gi verdifulle bidrag. Dessuten håper vi at senteret skal bidra til å styrke rekrutteringen til kjemistudiet både i Oslo og Tromsø, forteller Ruud.

Schrödinger-likningen er rett og slett en naturlov beskrevet i et matematisk språk.

Han understreker at forskningen ved senteret er veldig tverrfaglig og ligger i grenselandet mellom kjemi og fysikk, med sterke innslag av matematikk og informatikk. – Vi kommer til å jobbe i nært samarbeid med UiOs nye Senter for forskningsdrwevet innovasjon, Innovative Natural Gas Processes and Products, som blant annet jobber med miljøvennlige prosesser basert på naturgass og katalyse. Vi skal også ha forskere som jobber med både atmosfærekjemi, metallklynger og ikke-lineær optikk, tilføyer han.

Merkelige materialer

Men hva i all verden er ikke-lineær optikk?

– Ikke-lineær optikk innebærer at du for eksempel kan sende lys med én bølgelengde inn mot et materiale, og så får du lys av en annen bølgelengde ut igjen. Hvis du sender to fotoner med en viss energi inn i materialet, kan materialet sende ut ett foton med dobbelt så mye energi. Dette fenomenet har store muligheter når det gjelder blant annet datalagring og medisinsk bruk. Det har hittil hovedsakelig vært brukt uorganiske stoffer til slikt, men nå drømmer vi om å lage organiske ikke-lineære optiske materialer, svarer Ruud.

– Hvor er dere om ti år?

– Da skal vi ha kommet så langt at teoretiske metoder er blitt en fullstendig integrert del av forskningsaktiviteten i kjemi. I tillegg skal vi ha utviklet flere nye metoder som gjør oss i stand til å beregne større og mer realistiske systemer, for i dag regner vi stort sett på enkeltmolekyler. Men hvis du ser enda lenger fram i tid, så vil behovet for å gjøre kjemiske eksperimenter i laboratoriet bli betydelig redusert. Det kan ta 20 år, eller det kan ta 50 år, men før eller siden vil dette faget bli utviklet så langt at vi kan beregne så godt som enhver kjemisk reaksjon ved å kjøre modeller i datamaskinen, tror Ruud.

Center of Theoretical and Computational Chemistry (CTCC)
Senter for teoretisk og beregningsbasert kjemi

Målsetting: CTCC skal være en internasjonalt anerkjent bidragsyter til utviklingen og anvendelsen av kvantemekanisk modellering innenfor kjemi og materialforskning.
Deltakere: Universitetet i Tromsø, Universitetet i Oslo
Årlig bevilgning: 10 mill. kr. fra Forskningsrådet
Antall årsverk: Ca. 30
Kontaktperson: professor Kenneth Ruud,
e-post: ruud@chem.uit.no

www.ctcc.uit.no

Skriv ut siden