Artikkel

Forskerne ved Hylleraas-senteret jakter på kjemiens hellige gral

Forskere ved CTCC og Hylleraas-senteret
Forskere som jakter på kjemiens hellige gral: Deltakerne på det kombinerte avslutningsmøtet for CTCC og oppstartmøter for Hylleraas-senteret i oktober 2018. Foto: UiT. Bruk bildet.

Forskerne ved Hylleraas-senteret jakter på kjemiens hellige gral

For ti-tolv år siden kunne kvantekjemikerne i Oslo og Tromsø lage modeller av isolerte molekyler i datamaskinene, for å studere dem. Nå sikter de mot kjemifagets hellige gral: Evnen til å beregne hvordan nye kjemiske bindinger kan brytes og lages i et komplekst miljø – slik at de kan lage helt nye kjemiske stoffer.

Trygve Helgaker og Kenneth Ruud
Trygve Helgaker (t.v.) og Kenneth Ruud deler på ledelsen av det nye Hylleraas-senteret, hvor en stor gruppe forskere jakter på kjemiens "hellige gral". Foto: Jonatan Ottesen, UiT

Professorene Kenneth Ruud ved Universitetet i Tromsø og Trygve Helgaker ved Universitetet i Oslo leder det nye Hylleraas-senteret, som ble innviet i begynnelsen av september. Her skal 50–60 forskere i begge landsdeler bruke de neste ti årene til å undersøke komplekse kjemiske systemer, nær sagt uansett hvor de måtte finnes.

Disse forskerne har allerede lært seg å bruke datamaskinene til å undersøke detaljer i de kjemiske reaksjonene i så forskjellige omgivelser som menneskets øye, og de ekstreme magnetfeltene som kan finnes i verdensrommet. Et sted mellom disse to ytterpunktene har de avslørt hvordan torsken i Barentshavet trives utmerket i iskaldt vann.

Visjonen er tung, men presis

Hylleraas-senteret er et Senter for fremragende forskning (SFF) med en langsiktig bevilgning fra Norges forskningsråd. Forskerne i dette senteret står ikke i laboratoriet og blander kjemikalier ved ulike trykk og temperaturer, de bruker isteden datamaskiner til å lage modeller av kjemiske prosesser. Visjonen går ut på at de skal utvikle og anvende beregningsmetoder som kan brukes til å forstå, tolke og forutsi ny kjemi, fysikk og biologi i molekyler som befinner seg i komplekse og ekstreme miljøer.

– Jeg skal innrømme at den visjonen er litt tung. Jeg kjørte bak en bil fra et rørleggerfirma her om dagen, og på den bilen stod det at «Vår visjon er å gi deg et bad du er stolt av å vise til naboen». Den visjonen er nok mer lettfattelig. Men vår visjon er veldig presis! sier Trygve Helgaker – med et glimt i øyet.

– Vi kan aldri beskrive kjemiske prosesser med alle mulige detaljer i slike modeller, men vi prøver på en måte å karikere virkeligheten. En karikaturtegner vil jo forenkle portrettene sine og trekke ut det vesentlige som karakteriserer personen som blir tegnet, og vi gjør noe av det samme. Vi beskriver de viktige prosessene, forenkler og tar ut det vesentlige, tilføyer han.

Hvorfor fryser ikke torsken i hjel?

Egil A. Hylleraas (1898-1965) var fjellbondesønnen fra Trysil som ble en berømt fysiker.
Egil Hylleraas (1898-1965) var fjellbondesønnen fra Engerdal som løste Schrödinger-ligningen for et heliumatom i 1929 og la grunnlaget for våre dagers matematiske beregningskjemi. Foto: Av MUV/UiO Bruk bildet.

Da Tromsø-forskeren Bjørn Olav Brandsdal ledet arbeidet med å undersøke den arktiske torskens enzymer, viste det seg at enzymene var forbløffende like de enzymene som også finnes i menneskekroppen. Da er det jo merkelig at torsken klarer seg helt fint i vanntemperaturer ned mot frysepunktet, hvor menneskets enzymer for lengst har sluttet å virke. Med andre ord: Vi fryser ihjel i løpet av få minutter i så kaldt vann, mens torsken trives utmerket.

– Da vi brukte datamaskinene og modellene våre til å sammenlikne torskens kuldetolerante enzymer med våre egne, viste det seg at atomenes bevegelser på enzymenes overflater var litt løsere. Ellers var det ganske likt, forteller Kenneth Ruud.

– Her har altså naturen utviklet to sett av systemer som er nesten helt like, men som likevel virker ved helt ulike temperaturer. Hvis vi studerer dette enda grundigere, kan man for eksempel tenke seg at vi i fremtiden kan lage vaskemidler som fungerer ved romtemperatur. Det er jo enzymene som gjør mye av jobben i mange vaskemidler, tilføyer Helgaker.

– Det hadde jo vært veldig energisparende hvis vi kunne vaske klær uten å varme opp vann! kommenterer Ruud. Han understreker at forskerne i Hylleraas-senteret ikke jobber med å utvikle slike praktiske anvendelser, men ideen er der hvis en vaskemiddelprodusent har lyst til å ta den videre.

Hvorfor ser vi infrarødt lys?

Forskeren Michele Cascella i Oslo har jobbet med noe helt annet: Han har undersøkt årsaken til at mennesker er i stand til å se infrarødt lys – selv om vi egentlig ikke kan se det.

– Det infrarøde lysets fotoner har i utgangspunktet for lite energi til å utløse kjedereaksjonen som fører til at lyset blir registrert i reseptorene på netthinnen vår, forklarer Cascella. Men hvis to slike fotoner treffer den samme reseptoren samtidig, kan vi plutselig se infrarødt lys likevel. Det kan du lese mer om i denne artikkelen.

Trygve Helgakers spesielle kjæledegge er de ekstreme miljøene som finnes i verdensrommet, for eksempel rundt de hvite dvergstjernene som er i ferd med å brenne ut. De hvite dvergene kan skape magnetfelt som er ekstremt sterke – så sterke at Helgaker og samarbeidspartnerne fant en helt ny type kjemisk binding der. Det kan du lese mer om i denne artikkelen.

Ideen er fra 1926

UiO-rektor Svein Stølen holdt en gratulasjonstale under Hylleraas-senterets offisielle åpning 4. september 2019.
Egil Hylleraas løste Schrödinger-ligningen for et helium-atom for 90 år siden, og i dag bygger Hylleraas-senteret på hans bragd. Dette viser verdien av langsiktig og grunnleggende forskning -  som er UiOs sjel, sa rektor Svein Stølen ved åpningen av senteret i Oslo 4. september 2019. Foto: Bjarne Røsjø/UiO Bruk bildet.

Ideen om å studere kjemiske reaksjoner ved hjelp av matematiske beregninger kan føres tilbake til 1926, da den østerrikske fysikeren Erwin Schrödinger formulerte den berømte ligningen som bærer hans navn. Schrödinger-ligningen beskriver bevegelsene og vekselvirkningene mellom partiklene i kjemiske reaksjoner i et matematisk språk, og Schrödinger klarte selv å bruke ligningen til å beregne energien hos det ene elektronet i et hydrogenatom.

Deretter kom den norske forskeren Egil Hylleraas på banen og viste i 1929 at han kunne løse Schrödinger-ligningen nøyaktig for et helium-atom med to protoner i kjernen og to elektroner som svirrer rundt kjernen. Da hadde Hylleraas regnet og strevd i noen måneder med hjelp av en av datidens store nyvinninger – en elektrisk regnemaskin. Bragden ble betegnet som et mesterverk av størrelser som de senere nobelprisvinnerne Niels Bohr og Max Born.

Så begynte det å bli vanskelig. Erwin Schrödinger hadde beskrevet naturlovene som beskriver elektronets bevegelser rundt en atomkjerne i form av en presis matematisk ligning. Da kunne man jo drømme om å regne ut alt mulig i hele verden – for alt består jo av atomer.

Men ligningen var så komplisert at det i praksis var umulig å bruke den fullt ut på større systemer enn heliumatomet som Hylleraas hadde studert. Derfor spådde den britiske fysikeren Paul Dirac allerede i 1929 at det er umulig å beregne mer kompliserte systemer i detalj og at man måtte derfor ty til tilnærminger.

På 1950-tallet begynte de første forskerne å få tilgang på datamaskiner, noe som gjorde det mulig å gjennomføre stadig større regnestykker. Men det viste seg snart at Dirac hadde rett: Det er ikke mulig å regne ut Schrödinger-ligningen presist for store kjemiske systemer – men det er heller ikke nødvendig! Kvantekjemikerne – forskerne som anvender kvantemekanikkens lover til å beskrive kjemiske systemer – bruker isteden modeller, forenklinger og tilnærminger når de skal beregne elektronstrukturer, reaksjonsmekanismer og energinivåer i atomene de studerer. Disse modellene er satt sammen slik at man kan nærme seg den eksakte beskrivelsen på en systematisk måte og dermed ha god kontroll over de feilene man begår.

For å gjøre en lang historie kort: I dag har Trygve Helgaker, Kenneth Ruud og de andre forskerne i Hylleraas-senteret utviklet slike metoder et langt stykke videre.

– Det er ikke nødvendig å beregne alt mulig mest mulig nøyaktig. Da sløser vi med kruttet, kommenterer Helgaker.

Sentre for fremragende forskning

Trygve Helgaker mottok Norges forskningsråds SFF-plakett, til å henge på veggen.
Spesialrådgiver Liv Furuberg fra Norges forskningsråd hadde den hyggelige jobben med å overrekke den høythengende SFF-plaketten til Trygve Helgaker under den offisielle åpningen av Hylleraas-senteret. Foto:  Bjarne Røsjø/UiO Bruk bildet.

Kenneth Ruud og Trygve Helgaker debuterte som SFF-ledere i 2007, da Norges forskningsråd bevilget penger til etableringen og driften av Senter for teoretisk og beregningsbasert kjemi (CTCC) i ti år fremover. Her ble det gjort så store fremskritt at Forskningsrådet kom med en ny SFF-bevilgning – til Hylleraas-senteret – våren 2017. Nå er senteret i full drift, etter den offisielle åpningen 4. september 2019.

Da Kenneth Ruud ble intervjuet i Forskning.no i 2007 og fikk spørsmål om hvor den teoretiske kjemien ville være om ti år, spådde han blant annet at teoretiske metoder kom til å være en fullstendig integrert del av forskningsaktiviteten i kjemi. I tillegg ville de ha utviklet flere nye metoder som kunne sette forskere i stand til å beregne større og mer realistiske systemer. For i dag regner vi stort sett på isolerte molekyler og neglisjerer deres omgivelser, svarte Ruud den gangen.

– Hvis du ser enda lenger fram i tid, 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, tilføyde han.

– Der var jeg imponerende forutseende, om jeg skal si det selv! sier han i dag.

En del av den dreiningen vi har gjort med etableringen av Hylleraas-senteret, går jo nettopp ut på at mange forskergrupper, også eksperimentelle grupper, bruker våre metoder som en integrert del av sin aktivitet. Vi er også blitt i stand til å regne på stadig større systemer. Og vi er helt klart på vei mot at eksperimenter kan utføres i datamaskinen, tilføyer Ruud.

Med superdatamaskin i lomma

Den rivende utviklingen som kvantekjemien har vært inne i, skyldes blant annet at datamaskinene er blitt utrolig mye kraftigere. Trygve Helgaker tenker av og til tilbake på oppholdet ved University of Minnesota i 1986-87, mens han var postdoktor.

– Der jobbet vi med superdatamaskiner fra produsenten Cray. Dette var svære maskiner med en hastighet på 2 gigaflops, det vil si at de kunne utføre 2 milliarder regnestykker i sekundet. Disse maskinene måtte stå i spesialbygde rom med ventilasjon og brukte så mye strøm at spillvarmen var nok til å varme opp hele instituttet – og garasjen! – om vinteren, forteller Helgaker.

Datateknologien har vært gjennom en rivende utvikling siden den tiden. På slutten av 1980-tallet jobbet Helgaker med å beregne elektronstrukturen i dimetylsink – (CH3)2Zn, et forholdsvis enkelt metallorganisk molekyl. Beregningene i datamaskinen tok mange uker, og Helgaker måtte innom instituttet daglig for å sjekke at alt var i orden. Til og med på 17. mai.

Men i 2001 var datateknologien kommet så langt at han kunne utføre en liknende beregning hjemme på kjøkkenbordet, med en laptop, i løpet av 30 sekunder. Dette var på julaften, og kona merket visst ingenting.

– Men da iPhone 4 kom på markedet i 2010, var den like kraftig som en Cray 2 på slutten av 1980-tallet! Og spillvarmen kan slett ikke brukes til å varme opp en garasje. Det blir i høyden litt varmt i lomma, tilføyer Helgaker.

Er du interessert i forskningsnyheter om realfag og teknologi: Følg Titan.uio.no på Facebook eller abonner på nyhetsbrevet vårt

Ingen skjønner kvantemekanikken

Forskerne ved Hylleraas-senteret kjøper hovedsakelig regnekapasitet ved store datamaskiner i Oslo, Trondheim og Tromsø, men noen ganger bruker de også maskiner i Europa.

– I dag går beregninger vi strevde med for noen år siden så fort at du ikke merker det i det hele tatt. Vi er blitt i stand til å studere systemer med hundrevis av molekyler, og dermed er vi blitt veldig tverrfaglige. Nå bruker vi kvantemekanikkens lover ikke bare til å studere kjemiske reaksjoner, men også til å studere biologiske og astrofysiske fenomener. Alt dette kan vi gjøre ved å løse Schrödinger-ligningen for de systemene vi undersøker, forteller Kenneth Ruud.

Den amerikanske fysikeren og nobelprisvinneren Richard Feynman har en gang sagt at ingen egentlig forstår kvantemekanikken, og det er både Ruud og Helgaker enig i.

– Det er nemlig en forunderlig verden vi studerer, en verden hvor ingenting likner på det vi oppfatter i det daglige, forteller Ruud.

Atomene med sine kjerner og elektroner oppfører seg nemlig ikke som mikroskopiske stjerner og planeter, selv om de kan se slik ut på de enkleste tegningene.

– Hvis atomene skulle fulgt Newtons lover mens de svirrer rundt den tunge atomkjernen, ville de falt ned på kjernen og gitt fra seg all energi. Newtons lover kan ikke brukes til å beskrive stabile atomer, og det var mye av drivkraften for dem som utviklet kvantemekanikken for 100 år siden, forteller Helgaker.

– Men selv om det er vanskelig å forstå kvantemekanikken til bunns, blir vi jo vant til å regne med den etter hvert. Vi har en pragmatisk innstilling, tilføyer Ruud.

Kjemiens hellige gral

Forskerne ved Hylleraas-senteret jobber nå med å lage metoder som kan brukes til å studere de eksperimentene som gjøres ved store forskningsinstallasjoner som Max IV-laboratoriet i Lund og European X-ray Free-Electron Laser Facility i Hamburg. Ved disse anleggene blir ulike materialprøver eller biologiske prøver «beskutt» med fotoner eller elektroner, mens avanserte sensorer kartlegger hva bombardementene fører til. Deretter kan forskerne ved Hylleraas-senteret granske  dataene og bruke sine metoder til å beregne hva det egentlig var som skjedde «bak scenen».

– Hvor er dere om nye ti år?

– Da skal vi ha kommet mye lenger. Hittil har vi regnet mest på statiske systemer, men nå går vi mer og mer i retning av å studere dynamiske systemer, altså systemer som er i endring, svarer Helgaker.

– Vi skal også komme mye nærmere kjemiens «hellige gral», som er å beregne presist hvordan kjemiske bindinger brytes og lages. I dag kan vi beregne at et nytt molekyl kan ha spennende egenskaper, men vi kan ikke alltid beregne like sikkert hvordan vi kan lage det. Det kommer vi til å ha utviklet helt nye muligheter for om ti år. Da er teorien og laboratoriearbeidet blitt enda tettere integrert enn det er i dag, tilføyer Ruud.

Enige om kjemi, men ikke musikk

Det er ikke bare kjemien Trygve Helgaker og Kenneth Ruud deler en interesse for: Begge er også mer enn gjennomsnittet interessert i musikk. Interessen synes best på Helgaker, som neppe klarer å lage en lysark-presentasjon uten at det popper opp musikalske referanser.

Det var for eksempel en «long and winding road» som måtte tilbakelegges fra ideen om et SFF-prosjekt oppsto i de to forskernes hoder til bevilgningen var et faktum. Helgaker beskriver også målsetningen ved Hylleraas-senteret som å bryte igjennom veggen av utfordringer – The Wall – som står i veien for en bedre forståelse av komplekse kjemiske systemer og ekstreme miljøer – som de hvite dvergene i verdensrommet.

Men ut over det er musikksmaken ganske forskjellig. Helgaker er født i 1953 og er et barn av sin tid, med en forkjærlighet for Bob Dylan og tradisjonsrock. Dessuten er han aktivt medlem i Bærum Beatles Club (BBC), ledet av kjemiprofessorkollegaen Einar Uggerud. Kenneth Ruud (født 1969) er yngre og mer klassisk orientert og spiller bratsj i Byorkesteret i Tromsø.

– Trygve har beveget seg et godt stykke i min retning. Han har til og med vært med meg i operaen, forteller Kenneth Ruud. Men Helgakers gave til Ruud da han forsvarte doktorgraden sin i 1998, var kanskje ikke like vellykket – selv om det var en CD med opptak fra Bob Dylans legendariske konsert i Manchester i 1966.

– Den gjorde ikke fullt så stort inntrykk som jeg hadde håpet på, antyder Helgaker.

Kontaktpersoner:

Professor Trygve Helgaker, Kjemisk institutt, Universitetet i Oslo

Professor og prorektor Kenneth Ruud, Universitetet i Tromsø - Norges arktiske universitet

Les mer på Titan.uio.no:

Les mer:

Norges forskningsråd: Kjemisk forskning uten kjemikalier – intervju med Kenneth Ruud. Forskning.no, 5. oktober 2007

Norges arktiske universitet:  Hvorfor er det liv i nord? Forskersonen.no, 7. april 2019

Les også

‘De sibirske trappene’, Russland.

Ny bit er lagt i puslespillet om "Den store døden"

Det er ikke snakk om Svartedauden eller at dinosaurene døde ut. "Den store døden" er en hendelse i det geologiske tidsperspektivet, og den største av alle masseutryddelser på jorda. Vi er på slutten av perm-tiden for 252 millioner år siden.

Eili Tranheim Kase på laboratoriet, Farmasøytisk institutt

Forskere planlegger opptrapping av kampen mot overvekt og diabetes

Det er bedre for helsa å være aktiv og litt overvektig – "fit and fat" – enn å være stillesittende og slank. Hvorfor er det slik? Forskere ved Farmasøytisk institutt fronter nå en bred allianse som vil utvikle bedre behandlinger mot "parhestene" overvekt og diabetes, som er store og voksende folkesykdommer.