Ved å flytte kjemilaben inn i en simulert dataverden, kan utvikling av nye prosesser for industri og samfunn gjøres både sikrere og mindre resurskrevende.
Denne artikkelen er over ti år gammel og kan inneholde utdatert informasjon.
Saken er produsert og finansiert av Høgskolen i Akershus - Les mer
(Illustrasjonsfoto: iStockphoto)
En internasjonal forskergruppe har nå tatt et viktig sprang i metoder for mer eksakte studier av møter mellom gasser og metalloverflater – på skjermen.
Prosjektet den internasjonale gruppen av kjemikere har gjennomført, har pågått gjennom 15 år.
– Det vi har gjort, er å lage en modell i computerverden for studier av de kjemiske reaksjonene og prosessene i møtet mellom hydrogen og en overflate av kobber.
– Vi har brukt modellen til å studere og måle reaksjonshastigheter og forandringer i møtet mellom gass og metalloverflate med en nøyaktighet som hittil ikke er oppnådd med teoretiske metoder, sier førsteamanuensis Roar A. Olsen ved Høgskolen i Akershus.
Han er en av de seks forskerne i teamet som har gjennomført prosjektet og nå står bak artikkelen i Science.
De øvrige forskerne i teamet er fra henholdsvis Spania, Nederland, Argentina og USA. En av dem, nederlenderen Geert-Jan Kroes, begynte arbeidet med modellering av molekylære overflate-reaksjoner tidlig i 1990-åra, og var den første som publiserte et arbeid basert på slik modellering i 1997, hvor alle bevegelsesmulighetene for hydrogenmolekylene ble tatt med.
Katalyse bak syntetiske forbindelser
De fleste industrielt fremstilte forbindelser vi mennesker omgir oss med i dag, er produsert på en måte som i en eller annen forstand involverer kjemiske prosesser, i form av katalyse, der stoffer dannes eller skilles ut under bestemte betingelser på en metalloverflate.
Ett av mange eksempler er ammoniakk, som nyttes i blant annet gjødselproduksjon. Studier av disse prosessene, med sikte på økt selektivitet og lavere energiforbruk, er et stort felt innen kjemi og fysikk, og lå til grunn for en Nobel-pris i kjemi senest i 2007 (Gerhard Ertl).
Disse studiene foregår gjerne på molekyl-nivå, og har som formål å se hvordan noen molekyler eller atomer, eksempelvis hydrogen, reagerer med andre molekyler eller atomer på en metalloverflate, under variable betingelser av trykk og temperatur.
Av historiske årsaker er et av metallene som brukes i disse modellstudiene grunnstoffet kobber. Så langt har forskere, med basis i teoretisk metoder, kunnet beskrive vekselvirkningen mellom gassmolekyler og metalloverflater med det som kalles en semi-kvantitativ nøyaktighet.
Gruppen Roar A. Olsen er en del av, har nå vist at en viktig mengde molekyl-overflate-prosesser kan modelleres og studeres i en dataverden, med det kjemikere kaller “kjemisk nøyaktighet”.
Blindebukk-eksperimenter
Basert kun på eksperimenter i et laboratorium, kan alle mulighetene som fins raskt fortone seg som uoversiktlige.
Det kan også være vanskelig å oppdage de generelle underliggende mønstrene som foreligger, og deretter bruke denne kunnskapen til å lage nye katalytiske systemer med bedre egenskaper enn de man nå kjenner. Hva man søker etter, og hvordan man skal finne det, har et element av “blindebukk”.
Førsteamanuensis Roar A. Olsen ved Høgskolen i Akershus er med i en internasjonal forskergruppe som har beskrevet hvordan studier av overflate-reaksjoner kan gjøres i en dataverden. (Foto: Jan Eriksen)
– I en computerverden kan vi tillate oss denne ”blindebukk-leken” i og med at ressursbruken er vesentlig mindre, og vi behøver ikke å tenke på sikkerhet på samme måte som under eksperimenter i et laboratorium. Det er ikke noen forbindelser som er ”giftige” i et computerprogram.
Annonse
– Vi kan dessuten enkelt manipulere det miljøet vi gjør forsøket i, for eksempel ved å bytte ut ett element med et annet, sier Olsen.
Konkret har forskergruppen tegnet et konturkart over det energilandskapet som forteller hvordan et hydrogenmolekyl beveger seg på en metalloverflate, i dette tilfellet kobber.
– Tanken har vært at ved å studere hvordan vi kan forbedre beskrivelsen av vekselvirkningen mellom gassmolekylene og metalloverflaten, får vi et bedre grep om hvordan vi kan forstå og beregne reaksjonshastigheter og forandringer i møtet mellom gass og metalloverflate med “kjemisk nøyaktighet”, sier Olsen.
Stoppested på veien videre
Som mye annen forskning, ser den internasjonale forskergruppen som står bak det datasimulerte katalyse-prosjektet sine resultater som et stoppested på veien videre innen feltet.
– Dette er grunnforskning, som ikke har noen umiddelbar, konkret mulighet for anvendelse, men som vil kunne plukkes opp i prosjekter der katalyse og videre utvikling av industrielle prosesser er tema, sier Olsen.
