Kvantekjemi forklarer hva skjer inne i molekylene. Eller, nærmere bestemt hva som skjer med elektronene i molekylet. 

Her gjelder det å holde seg fast, for det er mye mer komplisert enn som så. I naturfagtimen på videregående lærte du at elektroner går i baner rundt atomet. Men så enkelt er det ikke.

Elektroner er ikke bare partikler, men også bølger. Elektronene kan være mange steder samtidig. Det er ikke mulig å holde orden på hvor de er. Men det er likevel håp.

Forskerne bruker kvantekjemiske modeller til å beregne seg fram til hvor elektronene befinner seg. 

Resultatene blir ofte enda mer nøyaktige når forskerne gjør kvantekjemiske beregninger, enn når de gjør eksperimenter.

– De kvantekjemiske beregningene kan blant annet brukes til å forutsi kjemiske reaksjoner. Da slipper kjemikerne å gjette og tippe i laboratoriet. Det er også mulig å bruke kvantekjemiske beregninger til å forstå hva som skjer i eksperimenter, forteller Trygve Helgaker ved Universitetet i Oslo.

Med kvantekjemiske beregninger er det nemlig mulig å forstå kjemiske reaksjoner enda bedre enn i laboratoriet. Forklaringen er at du i kvantekjemiske beregninger kan beregne nøyaktig hvordan alle atomene og elektronene i et molekyl fungerer sammen.

Krefter og spenninger mellom atomer

Tenk på hva som skjer når ultrafiolette stråler sender såkalte fotoner, som er partikler fylt med energi, inn i cellene dine. Det øker energien i molekylene. Da kan det hende at noen molekyler blir ødelagt. Dette skjer når du soler deg.

– Den ekstra energien vil påvirke oppførselen til elektroner og kan ødelegge de kjemiske bindingene i molekylene. Dette kan bare forklares kvantekjemisk. De kvantekjemiske modellene brukes for å få et bilde av kreftene og spenningene mellom atomene og elektronene i et molekyl og av hva som skal til for å få et molekyl til å gå i stykker, sier Helgaker.

For noen år siden klarte han og kollegaene hans ved Universitetet i Oslo (UiO) å beregne at det måtte finnes en helt annen type kjemiske bindinger i magnetfeltet i små, kompakte stjerner, kalt dvergstjerner, enn på jorda. Beregningene viste en helt ny mekanisme som holdt to hydrogenatomer sammen.

Nyheten vakte stor oppmerksomhet. Oppdagelsen ble gjort av Senter for teoretisk og beregningsbasert kjemi ved UiO. Bakgrunnen for arbeidet deres var nøyaktige, kvantekjemiske beregninger av hva som skjer når atomer og molekyler utsettes for ekstreme forhold.

Helgaker har de siste 30 årene vært med på å lage et datasystem som kan beregne kvantekjemiske reaksjoner i molekyler.

De kvantekjemiske beregningene løser schrödingerligningen for molekyler. Denne ligningen er grunnleggende i all kjemi og beskriver hvor alle elektronene i et molekyl befinner seg.

Enorme beregninger

Beregningene er blytunge.

– Schrödingerligningen er en svært komplisert, partiell differensialligning, som studerer endringer i tid og rom og som ikke kan løses eksakt. Vi må derfor ty til tunge simuleringer, forteller forsker Simen Kvaal.

Beregningene er så krevende at de benytter en av universitetets raskeste tungregnemaskiner.

– Vi tøyer hele tiden grensene for hva som er mulig. Begrensningene er maskinkapasiteten, sier Helgaker.

For ti år siden tok det to uker å gjøre beregninger på et molekyl med 140 atomer. Nå kan det gjøres på to minutter.

– Det er 20 000 ganger raskere enn for ti år siden. Beregningene går 200 ganger raskere fordi datamaskinene har doblet hastigheten sin hver attende måned. Og beregningene er blitt ytterligere 100 ganger raskere fordi programvaren stadig er blitt forbedret, forteller senioringeniør Simen Reine.

– Vi fyller alltid opp den ledige kapasiteten i datamaskinen. Jo mer beregningskapasitet, desto større og mer pålitelige beregninger.

Takket være enda raskere datamaskiner kan kvantekjemikerne studere stadig større molekyler.

I dag er det lett å beregne kvantekjemisk hva som skjer i et molekyl med opptil 400 atomer. Med forenklete modeller er det mulig å studere molekyler med mange tusen atomer. Men da er det visse effekter i molekylet som ikke blir beskrevet detaljert.

Nå nærmer forskerne seg et nivå der de kan studere nøyaktig hvordan atomer og elektroner forholder seg til hverandre i levende celler.

– Dette er spennende. Molekylene i levende celler kan inneholde mange hundre tusen atomer, men man trenger ikke beskrive hele molekylet kvantemekanisk. Vi kan derfor allerede i dag bidra til å løse biologiske problemstillinger.

Elektronjakt i insulinmolekylet

Kjemikerne har altså muligheten til å kombinere avanserte og enklere modeller.

– Det er hele tiden snakk om hvilken presisjon og hvilket detaljnivå du ønsker på beregningene. Det beste hadde vært å bruke schrödingerligningen til alt.

Som et kompromiss kan de i deler av modellen beskrive hvert elektron detaljert, mens de i andre deler av modellen bare ser på gjennomsnittstall for flere elektroner.

– Vi må hele tiden finne en god balanse mellom hvilke detaljer vi trenger og hvilke vi ikke har behov for.

Simen Reine har sammen med Aarhus Universitet brukt gruppens programvare til å studere et insulinmolekyl. Et insulinmolekyl består av 782 atomer og 3500 elektroner.

– Alle elektronene frastøter hverandre, samtidig som de trekkes mot atomkjernene. Atomkjernene frastøter hverandre. Likevel er molekylet stabilt. For å studere et molekyl med høy presisjon, må vi derfor ta hensyn til hvordan alle elektronene beveger seg i forhold til hverandre. Slike beregninger kalles korrelerte og er meget pålitelige.

Hvis de fikk muligheten til å kjøre en komplett, korrelert beregning av insulinmolekylet på universitetets tungregnemaskin, kunne beregningen i teorien ta to døgn.

– Om ti år kan disse beregningene gjennomføres på to minutter.

Viktig i medisin

Viserektor Knut Fægri ved UiO påpeker at kvantekjemiske beregninger kan bli viktige innenfor livsvitenskapen.

– Kvantekjemiske beregninger kan bidra til å beskrive fenomener på et nivå som kan være vanskelig tilgjengelig eksperimentelt, men som også kan fungere som en støtte i tolking og planlegging av eksperimenter. I dag vil beregningene gi mest nytte innenfor molekylærbiologi og biokjemi, mener Fægri.

Førsteamanuensis Michele Cascella på Senter for teoretisk og beregningsbasert kjemi er nylig hentet fra Italia for å bringe kvantekjemien inn i studier av levende organismer.

– Kvantekjemi er en stødig teori som er viktig for å forklare hva som skjer i molekylene, og den er derfor avgjørende for å forstå biologiske systemer, forteller Cascella.

Som eksempel nevner han analyser av enzymer. Enzymer er molekylære katalysatorer som forsterker de kjemiske reaksjonene i cellene våre.

Cascella trekker også frem nanomedisinen, som skal sørge for å frakte medisinen langt mer presist ut i kroppen.

– I nanomedisin må vi forstå fysiske fenomener i nanoskala og få et mest mulig korrekt bilde av molekylære fenomener. Da er kvantekjemiske beregninger viktige, forteller Cascella.

Proteiner og enzymer

Professor K. Kristoffer Andersson på Institutt for biovitenskap bruker den enklere formen for kvantekjemiske beregninger for å studere detaljer i proteinene og hvordan enzymer fungerer kjemisk.

– Det er viktig å forstå den kjemiske reaksjonsmekanismen og hvordan enzymer og proteiner fungerer. Med kvantekjemiske beregninger kan vi lære mer om hvordan proteinene utfører oppgavene sine, trinn for trinn. Vi kan også bruke beregningene til å se på aktiveringsenergien, altså hvor mye energi som trengs for å komme til en bestemt tilstand. Det er derfor viktig å forstå de kjemiske reaksjonsmønstrene i biologiske molekyler for å kunne utvikle nye medikamenter, forteller Andersson.

Forskningen hans kan også brukes til å finne medisiner mot kreft. Det gjør han ved å undersøke radikaler, som er atomer og molekyler som lett reagerer med andre stoffer, og som kan være viktige i kreft. Blant annet ser han på metall-ioner i proteiner. Dette er ioner med et stort antall protoner, nøytroner og elektroner.

Fotosyntesen

Professor Einar Uggerud ved Kjemisk institutt har avslørt en helt ny kjemisk bindingsform med avanserte eksperimenter og kvantekjemiske beregninger.

Sammen med stipendiat Glenn Miller har Uggerud funnet et uvanlig skjørt og spesielt molekyl, i en drageformet struktur, bestående av magnesium, karbon og oksygen. Molekylet kan gi en ny forståelse av fotosyntesen. Fotosyntesen, som er grunnlaget for alt liv, omdanner CO2 til sukkermolekyler.

Molekylet reagerer så hurtig med vann og andre molekyler, at det bare har vært mulig å studere det isolert fra andre molekyler, i et vakuumkammer.

– Tiden vil vise om molekylet virkelig har en viktig sammenheng med fotosyntesen, forteller Einar Uggerud.