Uten Einsteins relativitetsteori vil en datamodell ikke kunne skille sølv fra gull. (Foto: Brostock / Shutterstock / NTB scanpix)
Uten Einsteins relativitetsteori vil en datamodell ikke kunne skille sølv fra gull. (Foto: Brostock / Shutterstock / NTB scanpix)

Einsteins teori utgjør forskjellen når kjemiker skal finne gull

Vårt øye skiller mellom gull og sølvfarge fordi de to stoffene reflekterer lys forskjellig – en forskjell som er så liten at det tok forskerne mange år å utvikle en datamodell som kunne beskrive det.

Published

Marius Kadek bruker ikke labfrakk selv om han er kjemiker. Han har tatt en doktorgrad som i sin helhet ble utført foran datamaskinen.

Kadek er teoretisk kjemiker og har jobbet med metoder som beskriver materialer og nye forbindelser mer nøyaktig enn før.

Når forskerne vil utvikle nye materialer, er det verdifullt å kunne teste dem med kjemiske beregninger på datamaskinen først. Slik kan samfunnet spare både tid og penger, og ikke minst spare forskere for eksponering av farlige stoffer og andre hendelser som kan skje på et laboratorium.

Marius Kadek er fra Slovakia og hadde en master i teoretisk fysikk fra Universitetet i Bratislava før han tok en doktorgrad ved CTCC/Hylleraas senteret, Institutt for kjemi i Tromsø. (Foto: Vibeke Os)
Marius Kadek er fra Slovakia og hadde en master i teoretisk fysikk fra Universitetet i Bratislava før han tok en doktorgrad ved CTCC/Hylleraas senteret, Institutt for kjemi i Tromsø. (Foto: Vibeke Os)

Typiske egenskaper som forskerne ser etter i nye materialer er, ifølge Kadek, evnen til å reflektere lys og å lede elektrisitet. Dette brukes både til å lage materialer med unike overflateegenskaper og til ulike medisinske bildeteknikker, som MR og røntgen.

Nå har kjemikeren tatt de kjemiske beregningene ett steg videre.

Tar med mer av virkeligheten

– Du kan i grunnen si at vi inkluderer mer av virkeligheten i vår nye datamodell, forklarer Kadek som nylig tok doktorgrad ved Institutt for kjemi ved UiT ‒ Norges arktiske universitet.

Og virkeligheten ‒ det er rom, tid og krefter, minner han om, begrepene som Einstein forente i sin relativitetsteori.

– Vi teoretikere forsøker å forklare virkeligheten med databeregninger: Vi mater inn informasjon og får datamaskiner til å beregne hva som skjer eller hvordan en kombinasjon av stoffer arter seg. Samtidig vil vi at beregningene skal være enkle nok slik at de faktisk lar seg løse på rimelig tid, sier Kadek.

Derfor må de teoretiske kjemikerne forenkle virkeligheten. Men det kan by på problemer.

‒ Måten vi gjør våre forenklinger på vil ofte være avgjørende for hvor nøyaktig metoden vår blir og hva vi faktisk kan bruke den til, påpeker Kadek.

Tunge stoffer har vært vanskelige å regne på

Databeregninger av kjemiske prosesser og molekyler har blitt etablert som metode de siste 50 år. Ifølge kjemikeren har mange metoder fortsatt store begrensninger og der bare de stoffene som er lettest og som vi finner øverst i den periodiske tabell kan beskrives godt.

I doktorgraden sin har Kadek nå laget en ny metode der også tunge kjemiske stoffer kan inkluderes i beregninger, samtidig som man bevarer nøyaktigheten. Han har tatt høyde for nettopp Einsteins relativitetsteori.

Fargeforskjellene mellom gull og sølv kom frem

Det er hårfine forskjeller som gjør at gull og sølv reflekterer lys forskjellig. Denne lille forskjellen var ifølge Kadek, ikke mulig å beskrive godt med tidligere modeller, men nå kan forskerne få med de fine nyansene. Da kommer fargeforskjellene frem i datamodellene.

Einsteins relativitetsteori handler blant annet om at all bevegelse er relativ. Kadek forklarer at for de tunge stoffene, i nedre halvdel av det periodiske systemet, er det sterke krefter i sving. De negativt ladede elektronene har derfor høyere hastighet rundt den positivt ladede kjernen enn det de har i lettere stoffer.

Denne høye hastigheten gjør at blant annet lysets hastighet får større betydning. Dette er såkalte relativistiske effekter.

Så for å kunne beskrive enkelte fargenyanser må likningene i datamodellene altså inkludere Einsteins teorier.

Kvikksølv ble flytende igjen

– Et annet eksempel på en spennende effekt av relativitetsteorien er kvikksølv, opplyser Kadek.

Kvikksølv er det eneste metallet vårt som er flytende i romtemperatur, men uten å inkludere relativitetsteorien i beregningene ville kvikksølv fremstå som et fast stoff.

Såkalte relativistiske effekter har vært beskrevet før, men det som skiller Kadek sin metode fra andre, er at hans modell både vil kunne gi en bedre beskrivelse av faste stoffer ‒ og vil kunne beskrive hva som skjer med stoffer når de utsettes for elektriske felt.

I arbeidet sitt har Kadek også sett på grafén-liknende materialer laget av ulike metaller som germanene og silicene. Disse materialene er syltynne flak av atomer i nanoskala. Tidligere datamodeller har vist at slike tynne flak av tunge metaller kan lede strøm. Men ifølge Kadek sin metode kan de ikke det.

Relative kvantesprang

Kjemikerens teoretiske beregninger er basert på kvantekjemi, der hvert stoff er beskrevet med ulike energinivåer. Vi kan tenke på disse energinivåene i et molekyl er som etasjene i et hus. I de «gamle» beregningsmetodene var det stor avstand mellom «etasjene». Når relativitetsteorien inkluderes i beregningene, blir den beregnede avstanden mellom etasjene annerledes.

Konsekvensen i datamodellene er at det kreves mer eller mindre energi for å gå fra en etasje til en annen. Dette gjør Kadek sine beregninger mer nyanserte – og mer realistiske.

Referanse:

Marius Kadek: Advancing relativistic electronic structure methods for solids and in the time domain, Dokotrgrad ved UiT‒ Norges arktiske universitet august 2018