Molekylstruktur eksisterer – nå er det endelig bevist

I snart hundre år har det vært mulig å se molekylenes struktur ved hjelp av en metode som heter elektrondiffraksjon. Derfor har de fleste kjemikere følt seg trygge på at strukturene finnes. De fleste som har hatt kjemi på videregående skole har sett lærebøker fulle av molekylstrukturer.

Men ettersom molekylstrukturen er i strid med kvantemekanikken, har det likevel foregått en debatt innad i kjemimiljøet. Ifølge kvantemekanikken er det nemlig ikke sikkert at disse strukturene finnes. Noe av årsaken til dette er at det ikke har vært mulig å bruke kvantemekanikk til å finne molekylstrukturen – selv om alle kjemikere har ment at det burde være det. En annen grunn skyldes kvantemekanikken selv:

– Det er en selvmotsigelse at vi kan se molekylstrukturen, samtidig som kvantemekanikkens natur viser at vi ikke kan vite noe om partiklenes posisjon, samtidig som vi vet hastigheten, forklarer professor i teoretisk kjemi ved Universitetet i Oslo, Thomas Bondo Pedersen.

Molekylstruktur er en selvmotsigelse

Ifølge ham er det slik at kvantemekanikken ikke kan skille mellom identiske partikler, for eksempel protonene i vannmolekylet. De er alle like og det er ikke mulig å si noe om ett spesifikt proton i eksempelvis vannmolekylet. Derfor mener Pedersen at molekylstrukturen er en selvmotsigelse, for da er det jo mulig å se hvor de enkelte partikler befinner seg.

Pedersen forteller at dette problemet var noe Robert Oppenheimer – ja, Oppenheimer det ble laget film om – og Max Born forsøkte å løse i 1927. Resultatet kalles for Born-Oppenheimer-tilnærmingen. Denne tilnærmingen går ut på at partikler med større masse beveger seg tregere enn de med lavere masse.

Siden atomkjerner er flere tusen ganger tyngre enn elektroner kan de stort sett antas å ha en fast posisjon i forhold til elektronene. Med denne tilnærmingen klarte Born og Oppenheimer å tvinge kvantemekanikken til å inneholde begrepet molekylstruktur.

Matematikere har siden vist at dette er en svært bra tilnærming, til tross for at den bryter med helt grunnleggende naturlover for identiske partikler. Tilnærmingen er blitt mye brukt av fysikere og kjemikere fordi den er enklere å regne på enn den fulle kvantemekanikken. Og fordi de teoretiske beregningene nesten alltid er i svært god overenstemmelse med eksperimentelle undersøkelser. Derfor burde det egentlig være mulig å gå den andre veien også. Det vil si; finne strukturen til et molekyl ved hjelp av kvantemekanikken uten å bruke Born-Oppenheimer tilnærmingen. Dette har vært et problem i teoretisk kjemi i lang tid, men nå har noen endelig fått det til:

– Nå har vi vist at Born og Oppenheimers metode er riktig. Vi har vist at det er mulig å gå den andre veien, fra kvantemekanikk til molekylstruktur, sier Pedersen.

Molekylstrukturen vi har sett så langt er bare en tolkning

Pedersen forklarer at måten elektrondiffraksjon fungerer på er noe av årsaken til usikkerheten av molekylstrukturens eksistens. Det forskerne ser er ikke selve atomene, men måten elektronene har blitt spredd på.

– Måten vi tolker denne spredningen på, avhenger av teorien, og det er teorien vi kommer med, forklarer Pedersen. Vi bruker da teoriene til å lage modeller og beregninger som er avgjørende for å tolke de eksperimentelle observasjoner.

Likevel understreker han:

– Vi har alltid trodd at molekylstrukturene er der, for det er svært mange ting som tyder på det, mener han.

Kraftige datamaskiner måtte til for å løse problemet

Han forklarer at noe av grunnen til at det er først nå strukturene endelig er bevist, er delvis på grunn av mer kraftige datamaskiner og bedre beregninger.

Pedersen forteller at han fikk forskningstermin i ett år for å undersøke hvordan molekyler oppfører seg når de påvirkes av ultra-korte laserpulser. Da kan man ikke bruke Born-Oppenheimer tilnærmingen og spørsmålet om molekylstruktur innen kvantemekanikken ble da veldig sentral. Det var først da han kom i snakk med Lucas Lang, som var postdoktor på Hylleraas-senteret og nå er juniorprofessor i Berlin, at det ble fart i sakene. Lang mente, i likhet med Pedersen, at molekylstrukturer finnes, og at det bør være mulig å finne dem ved å bruke kvantemekanikken.

Ved å bruke en metode for å finne sannsynligheten for hvor ulike typer av partikler befinner seg i forhold til hverandre, kunne de lage et slags kart. Som eksempel brukte forskerne et av universets vanligste molekyler, kalt D₃⁺, der Ludwik Adamowicz ved Universitetet i Arizona kunne levere den fulle kvantemekaniske sannsynlighetsfordelingen.

Det var imidlertid ett problem.

I teorien kan en partikkel være hvor som helst i universet

– En partikkel kan være på månen, en annen kan være på jorden. Problemet er at det ikke er spesielt sannsynlig at partikler i samme molekyl skal ha en slik posisjon i forhold til hverandre. Derfor måtte vi finne en måte å bare finne relevante posisjoner – regnestykket blir for stort hvis vi skal ha med alle punkter i universet, forklarer Pedersen.

– Hvis vi skulle plukke ut punkter tilfeldig, ville vi få en rekke uviktige punkter, forklarer Henrique Musseli Cezar som er postdoktor i teoretisk kjemi ved Universitetet i Oslo. Derfor måtte vi finne en metode hvor vi kunne velge punkter ved hjelp av distribusjon.

Tilnærmingen de brukte for å luke ut usannsynlige posisjoner kalles for Monte Carlo-utvalg, noe Cezar er ekspert på. På denne måten fikk de en oversikt over det de kaller for dominerende sannsynligheter.

Brukte «romreise»-matematikk

Nå hadde forskerne de punktene i universet som hadde høyest sannsynlighet for å ha en partikkel i molekylet. Da gjenstod det å finne ut hvordan disse punktene skulle forholde seg til hverandre:

– Deretter brukte vi en retningsvektor som egentlig brukes for å regne ut bevegelser i rommet, forklarer Pedersen

Slik fikk de en samling med ulike strukturer. Pedersen forklarer at det er en god grunn til det:

– Molekylene roterer og vibrerer, derfor får vi en klasse med ulike strukturer.

Det har aldri vært vist før – men det var på tide

De fant imidlertid ganske mange strukturer. Derfor hadde forskerne behov for å klassifisere dem. Lang er ekspert på maskinlæring. Ved å bruke maskinlæringsalgoritmer fant han en metode for å klassifisere og sortere de ulike strukturene.

Da så de at det var en temmelig lik struktur hele veien, en som faktisk var lik det som observeres. Forskjellen mellom de ulike strukturene var først og fremst at de var ulikt orientert i rommet. Dermed hadde de vist at det var mulig å finne molekylstrukturen ved hjelp av kvantemekanikken.

– Det er aldri blitt vist at det er mulig før, men det var på tide, sier Pedersen.

Han avslutter med et smil:

– Nå kan de fleste kjemikere, dersom de har tenkt på dette i det hele tatt, sove godt uten å få mareritt, sier han.

Og hvis noen lurer på hvorfor ikke kvantemekanikkens lov om at partikler ikke kan sted-festes er brutt med den nye metoden:

– Kvantemekanikkens lover gjelder fortsatt, fordi vår metode ikke identifiserer enkelt-partikler. Vi bruker en sannsynlighetsfordeling som grunnlag for strukturen, mens Born og Oppenheimer plasserte protonene på bestemte steder. Det er en hårfin forskjell, sier Pedersen.

Kilde:

Lucas Lang, Henrique M. Cezar, Ludwik Adamowicz, og Thomas Bondo Pedersen, Quantum Definition of Molecular Structure, Journal of the American Chemical Society, januar 2024