Denne artikkelen er produsert og finansiert av Universitetet i Oslo - les mer.
De fleste har sett molekylstrukturer i lærebøker. Illustrasjonen viser tre ulike måter å fremstille vannmolekylets struktur på.(Illustrasjon: Colourbox)
Det du lærte på skolen stemmer: Nå har forskere endelig bevist at molekylstrukturer eksisterer
De fleste har sett tegninger av molekyler. Mye tyder på at disse har vært riktige, men det har ikke vært bevist før nå.
I snart hundre år har det vært mulig å se molekylenes struktur ved hjelp av en metode som heter elektrondiffraksjon. Derfor har de fleste kjemikere følt seg trygge på at strukturene finnes.
De fleste som har hatt kjemi på videregående skole, har sett lærebøker fulle av molekylstrukturer.
I strid med kvantemekanikken
Men ettersom molekylstrukturen er i strid med kvantemekanikken, har det likevel foregått en debatt innad i kjemimiljøet. Ifølge kvantemekanikken er det nemlig ikke sikkert at disse strukturene finnes. Noe av årsaken til dette er at det ikke har vært mulig å bruke kvantemekanikk til å finne molekylstrukturen – selv om alle kjemikere har ment at det burde være det.
En annen grunn skyldes kvantemekanikken selv:
– Det er en selvmotsigelse at vi kan se molekylstrukturen, samtidig som kvantemekanikkens natur viser at vi ikke kan vite noe om partiklenes posisjon, samtidig som vi vet hastigheten.
Det forklarer professor i teoretisk kjemi ved Universitetet i Oslo, Thomas Bondo Pedersen.
Kvantemekanikk
Kvantemekanikk er flere teorier som beskriver noen egenskaper ved de grunnleggende strukturene, som for eksempel elektroner, protoner, atomer og molekyler.
Kvantemekanikken beskriver hvordan de er bygget opp, hvordan de beveger seg og hvordan de interagerer med hverandre.
Molekylstruktur er en selvmotsigelse
Ifølge ham er det slik at kvantemekanikken ikke kan skille mellom identiske partikler, for eksempel protonene i vannmolekylet. De er alle like, og det er ikke mulig å si noe om ett spesifikt proton i eksempelvis vannmolekylet.
Derfor mener Pedersen at molekylstrukturen er en selvmotsigelse, for da er det jo mulig å se hvor de enkelte partikler befinner seg.
Pedersen forteller at dette problemet var noe Robert Oppenheimer – ja, Oppenheimer det ble laget film om – og Max Born forsøkte å løse i 1927. Resultatet kalles for Born-Oppenheimer-tilnærmingen. Denne tilnærmingen går ut på at partikler med større masse beveger seg tregere enn de med lavere masse.
Siden atomkjerner er flere tusen ganger tyngre enn elektroner, kan de stort sett antas å ha en fast posisjon i forhold til elektronene. Med denne tilnærmingen klarte Born og Oppenheimer å tvinge kvantemekanikken til å inneholde begrepet molekylstruktur.
Metoden stemmer
Matematikere har siden vist at dette er en svært bra tilnærming. Og det til tross for at den bryter med helt grunnleggende naturlover for identiske partikler.
Tilnærmingen er blitt mye brukt av fysikere og kjemikere. Grunnen er at den er enklere å regne på enn den fulle kvantemekanikken. Og fordi de teoretiske beregningene nesten alltid er i svært god overensstemmelse med eksperimentelle undersøkelser.
Derfor burde det egentlig være mulig å gå den andre veien også. Det vil si: å finne strukturen til et molekyl ved hjelp av kvantemekanikken uten å bruke Born-Oppenheimer tilnærmingen.
Dette har vært et problem i teoretisk kjemi i lang tid, men nå har noen endelig fått det til:
– Nå har vi vist at Born og Oppenheimers metode er riktig. Vi har vist at det er mulig å gå den andre veien, fra kvantemekanikk til molekylstruktur, sier Pedersen.
Annonse
Elektrondiffraksjon
Elektrondiffraksjon er en metode som blant annet brukes til å undersøke molekylstruktur. Metoden fungerer ved å skyte elektroner på molekylet som skal undersøkes.
Når elektronet treffer molekylet, endrer det retning. Ved å skyte mange elektroner på molekylet dannes det et mønster for hvor det er noe «hardt». Ved å tolke det mønsteret som dannes kan forskerne si noe om avstanden mellom atomene. Og dermed også forstå hvordan molekylet ser ut.
Molekylstrukturen vi har sett så langt, er bare en tolkning
Pedersen forklarer at måten elektrondiffraksjon fungerer på, er noe av årsaken til usikkerheten av molekylstrukturens eksistens. Det forskerne ser, er ikke selve atomene. De ser måten elektronene har blitt spredd på.
– Måten vi tolker denne spredningen på, avhenger av teorien, og det er teorien vi kommer med, sier Pedersen.
Han forklarer at de da bruker teoriene til å lage modeller og beregninger som er avgjørende for å tolke de eksperimentelle observasjoner.
Likevel understreker han:
– Vi har alltid trodd at molekylstrukturene er der. Det er svært mange ting som tyder på det, mener han.
Kraftige datamaskiner måtte til for å løse problemet
Han forklarer at noe av årsaken til at det er først nå strukturene endelig er bevist, er delvis på grunn av mer kraftige datamaskiner og bedre beregninger.
I ett år har Pedersen nå undersøkt hvordan molekyler oppfører seg når de påvirkes av ultrakorte laserpulser. Da kan man ikke bruke Born-Oppenheimer tilnærmingen. Spørsmålet om molekylstruktur innen kvantemekanikken ble da veldig sentral.
Det var først da han kom i snakk med en annen forsker, Lucas Lang, at det ble fart i sakene.
I likhet med Pedersen mente Lang at molekylstrukturer finnes, og at det bør være mulig å finne dem ved å bruke kvantemekanikken.
De kunne så lage et slags kart ved å bruke en metode for å finne sannsynligheten for hvor ulike typer av partikler befinner seg i forhold til hverandre. Som eksempel brukte forskerne et av universets vanligste molekyler, kalt D3+, der Ludwik Adamowicz ved Universitetet i Arizona kunne levere den fulle kvantemekaniske sannsynlighetsfordelingen.
Annonse
Det var imidlertid ett problem.
I teorien kan en partikkel være hvor som helst i universet
– En partikkel kan være på månen. En annen kan være på jorden. Problemet er at det ikke er spesielt sannsynlig at partikler i samme molekyl skal ha en slik posisjon i forhold til hverandre. Derfor måtte vi finne en måte å bare finne relevante posisjoner. Regnestykket blir for stort hvis vi skal ha med alle punkter i universet, sier Pedersen.
– Hvis vi skulle plukke ut punkter tilfeldig, ville vi få en rekke uviktige punkter, sier Henrique Musseli Cezar. Han er forsker i teoretisk kjemi ved Universitetet i Oslo.
Derfor måtte forskerne finne en metode hvor vi kunne velge punkter ved hjelp av distribusjon.
Tilnærmingen de brukte for å luke ut usannsynlige posisjoner, kalles for Monte Carlo-utvalg. På denne måten fikk de en oversikt over det de kaller for dominerende sannsynligheter.
Fra venstre: Henrique Musseli Cezar og Thomas Bondo Pedersen.(Foto: Elina Melteig)
Brukte «romreise»-matematikk
Nå hadde forskerne de punktene i universet som hadde høyest sannsynlighet for å ha en partikkel i molekylet. Da gjenstod det å finne ut hvordan disse punktene skulle forholde seg til hverandre:
– Deretter brukte vi en retningsvektor. Den brukes egentlig for å regne ut bevegelser i rommet, forklarer Pedersen
Slik fikk de en samling med ulike strukturer. Pedersen forklarer at det er en god grunn til det:
– Molekylene roterer og vibrerer. Derfor får vi en klasse med ulike strukturer.
Det har aldri vært vist før – men det var på tide
Annonse
De fant imidlertid ganske mange strukturer. Derfor hadde forskerne behov for å klassifisere dem.
Lang er ekspert på maskinlæring. Ved å bruke algoritmer for maskinlæring fant han en metode for å klassifisere og sortere de ulike strukturene.
Da så de at det var en temmelig lik struktur hele veien. Det var en som faktisk var lik det som observeres. Forskjellen mellom de ulike strukturene var først og fremst at de var ulikt orientert i rommet. Dermed hadde de vist at det var mulig å finne molekylstrukturen ved hjelp av kvantemekanikken.
– Det er aldri blitt vist at det er mulig før, men det var på tide, sier Pedersen.
Og hvis noen lurer på hvorfor ikke kvantemekanikkens lov er brutt med den nye metoden. Altså loven om at partikler ikke kan stedfestes:
– Kvantemekanikkens lover gjelder fortsatt fordi vår metode ikke identifiserer enkelt-partikler. Vi bruker en sannsynlighetsfordeling som grunnlag for strukturen, mens Born og Oppenheimer plasserte protonene på bestemte steder. Det er en hårfin forskjell, sier Pedersen.
