Artikkel

Vi er inne i en kjemisk revolusjon

Liberty Leading the People by Eugène Delacroix
Den franske maleren Eugene Delacroix malte det ikoniske bildet av den franske revolusjonen i 1830. Nå er det kjemifaget som er inne i en revolusjon. Illustrasjon: Eugène Delacroix [Public domain], via Wikimedia Commons.

Vi er inne i en kjemisk revolusjon

Kjemifaget undervises fortsatt på en måte som minner om en 1800-talls vitenskap, selv om faget egentlig har utviklet seg milelangt siden da. Kjemi er mye mer spennende og revolusjonerende enn du tror, sier kjemikerne.

Hvis du googler de fire ordene «lærebøkene må skrives om», finner du fort ut at frasen er en klisje som det har gått inflasjon i.

Men noen få ganger er frasen helt på sin plass, som for eksempel i beskrivelsen av den utviklingen kjemifaget nå er midt inne i. De mest spennende eksperimentene foregår nemlig ikke lenger i laboratoriet – men i datamaskinene.

– Den kjemien du lærte på videregående, handlet sikkert mye om å gjøre eksperimenter i laboratoriet for å studere hvordan ulike stoffer reagerer med hverandre. Vi jobber nok fortsatt mye i laboratoriet, men mange av oss bruker minst like mye tid på å utvikle programvare, forteller førsteamanuensis Thomas Bondo Pedersen ved Kjemisk Institutt og Senter for teoretisk og beregningsbasert kjemi (CTCC).

Studerer den ekstreme kjemien

Thomas Bondo Pedersen og kollegene ved CTCC er spesialister på teoretisk kjemi og er opptatt av å undersøke hvordan kjemien forandrer seg under ekstreme betingelser, som for eksempel i sterke magnetiske felter eller under ekstremt høye trykk.

Michele Cascella (t.v.) er tilknyttet Senter for teoretisk og beregningsbasert kjemi (CTCC) ved Kjemisk institutt. Her sammen med Thomas Bondo Pedersen og lederen, professor Trygve Helgaker.
Revolusjonære ekstremkjemikere: Fra venstre Michele Cascella, Thomas Bondo Pedersen og Trygve Helgaker ved Kjemisk institutt. Foto: Bjarne Røsjø/UiO

Denne forskningen foregår ved hjelp av moderne beregningsvitenskap og datateknologi. Kjemikerne jobber altså ikke så mye med kjemikalier lenger – de bygger isteden matematiske modeller av kjemiske forbindelser og lar datamaskinene regne ut hvordan de kommer til å reagere med hverandre.

På den måten har forskerne blant annet klart å påvise at en helt ny type kjemisk binding kan oppstå i ekstremt sterke magnetfelter. Denne bindingstypen ble først påvist i teorien, og nå leter forskere blant stjernene i verdensrommet for å undersøke om den finnes også i virkeligheten.

Følg med på Titan.uio.no mandag. Da kan du lese mer om kjemiforskernes stjernejakt.

– Vi har også oppdaget at atomers og molekylers oppførsel i sterke magnetiske felt likner mye på oppførselen under ekstremt høye trykk. Den kjemien som ifølge teorien kan eksistere i magnetiske felt i verdensrommet, kan derfor også muligens eksistere i jordens indre, sier Bondo Pedersen.

– Samtidig er det omtrent umulig å skape ekstremt sterke magnetfelt i laboratoriet, men i datamaskinen er det forholdsvis lett å simulere slike betingelser, tilføyer førsteamanuensis Michele Cascella.

– Nå kan vi altså studere molekyler under høyt trykk i laboratoriet, og under sterke magnetfelt i datamaskinen, og på den måten kan vi predikere hva slags molekyler som kan finnes i verdensrommet eller i jordens indre,

Jaktet på De vises sten

Overgangen til digital eksperimentering er det foreløpig siste skrittet på en lang utvikling som har forandret kjemien fra en empirisk og intuitiv vitenskap, til en mer presis og naturlov-basert vitenskap.

Kjemifaget ble grunnlagt av alkymistene som lette etter "De vises sten"
Den flamlendske kunstneren David Teniers malte dette bildet av et alkymist-laboratorium på 1600-tallet. Kjemifaget rister nå av seg de siste sporene etter alkymistenes magiske tankegang. (Credit: Imagno/Getty Images)

– Det moderne kjemifaget ble i prinsippet grunnlagt av den britiske alkymisten Robert Boyle på 1600-tallet. Det var Boyle som oppdaget at volumet av en gass er omvendt proporsjonalt med trykket, og det var en viktig observasjon, forteller Cascella.

– Men Boyle var egentlig på jakt etter De vises stein, som skulle kunne omdanne uedle metaller til gull, og denne koblingen til alkymien gjorde at kjemien lenge var en paradoksal vitenskap. Den moderne kjemien ble ikke utviklet før på 1800-tallet av folk som franskmannen Antoine Lavoisier og briten John Dalton, men du ser faktisk sporene etter den «alkymistiske» opprinnelsen også i dag.

Fra regler til lover

Det kjemi-faget du lærte på skolen, bygger nemlig på et sett med regler som ble utviklet på grunnlag av årtier og århundrer med eksperimentering i laboratoriet.

Kjemikerne konstaterte for eksempel at atomer foretrekker å ha åtte elektroner i det ytterste av elektronskallene, men de kunne ikke forklare årsaken. Og prinsippet om elektronegativitet, som beskriver hvordan atomer i en kjemisk binding deler elektroner mellom seg, ble faktisk utviklet før elektronet ble oppdaget.

– Med andre ord: Det kjemikerne gjorde i gamle dager, var at de gjorde eksperimenter og noterte ned observasjoner. På den måten utviklet de begreper som valens, kovalente bindinger, ionebindinger, og så videre. Men de hadde ikke begreper om hvorfor atomene og molekylene oppførte seg som de gjorde, forteller Bondo Pedersen.

fakta

Senter for teoretisk og beregningsbasert kjemi (CTCC) er et Senter for fremragende forskning (SFF) med bevilgning fra Norges forskningsråd.

Senteret ble opprettet i 2007 med en målsetting om å være en internasjonalt anerkjent bidragsyter til utviklingen og anvendelsen av kvantemekanisk modellering innenfor kjemi og materialforskning.

Men sånn er det ikke lenger. I 1926 la den østerrikske fysikeren Erwin Schrödinger grunnlaget for den såkalte beregningskjemien, da han 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, og i 1933 fikk Schrödinger nobelprisen i fysikk sammen med den britiske fysikeren Paul Dirac, som grunnla kvantemekanikken.

Mer spennende enn du tror

Det var et stort fremskritt da Schrödinger og Dirac avslørte naturlovene som styrer elektronenes og protonenes bevegelser og vekselvirkninger med hverandre. Men hvis de hadde visst at kjemikerne på 2000-tallet har lært seg å bruke Schrödinger-likningen og kvantemekanikken til å beregne kjemiske reaksjoner ved å sitte foran en dataskjerm, hadde de antakelig blitt grønne av misunnelse.

– Min personlige mening er at det blir gjort en del feil i skoleverket. Vi underviser fortsatt kjemi delvis som om det var en 1800-talls vitenskap, mens selve faget har utviklet seg milevis forbi dette, sier Michele Cascella – og antyder at flere unge menn og kvinner hadde strømmet til kjemien hvis de visste hvor spennende faget er i ferd med å bli.

Les mer:

Kjemien som gir deg bedre helse

Får 9 millioner for å utvikle en kunstig fotosyntese

Kontakt:

Førsteamanuensis Thomas Bondo Pedersen, Kjemisk institutt

Skriv ny kommentar

Verifiser deg (din epost-adresse vil ikke bli vist offentlig)

Les også

Sunniva Rose foran CACTUS-detektoren ved UiOs syklotronlaboratorium

Styrker argumentene for thorium som kjernebrensel

FNs klimapanel peker på tre teknologier som kan bidra til å løse de globale klimaproblemene. – Her i Norge driver vi med «cherrypicking», sier kjernefysiker Sunniva Rose. – Det skal liksom ikke snakkes om kjernekraft. Hun gjør det likevel.

Leucauge venusta

A new web of life

For the first time biologists have made a full family tree of the world's spiders, giving us knowledge about venoms that can be useful in medicine.