Datorn – visar vägen i atomernas värld

Kemiska processer i komplicerade system kan idag, tack vare datorutvecklingen, modelleras med hög noggrannhet och visualiseras med en fascinerade detaljrikedom. Idealt skulle man vilja beskriva hela systemet med kvantmekanik, men det omöjliggörs av systemens storlek och komplexitet. Istället uppnås en hög noggrannhet i beskrivningen genom en kombination av kvantmekanik och klassisk fysik. Om vi som exempel tänker oss att studera en biokemisk reaktion. Systemets olika delar beskrivs av modeller med varierande noggrannhet. Från kvantkemiska beräkningar i de områden där kemiska bindningar ändras, till klassiska datorsimuleringar av övriga delar av biomolekylen och kontinuumberäkningar av omgivande vattenlösning.

I en kombination av olika modeller kan man fokusera på det centrala i frågeställningen och uppnå en optimal balans mellan noggranhet och görbarhet.
I en kombination av olika modeller kan man fokusera på det centrala i frågeställningen och
uppnå en optimal balans mellan noggranhet och görbarhet.

Svårigheten i detta är att formulera en beskrivning av hur dessa redskap kommunicerar dem varandra. Martin Karplus, Michael Levitt och Arieh Warshel tilldelades Nobelpriset i kemi 2013 för deras arbete med att utveckla metoder för beskriva det gränssnittet, så kallade “flerskalemodeller”. Styrkan i dessa modeller är att de bästa egenskaperna i respektive beskrivning kan utnyttjas till fullo, som noggrannheten i de kvantkemiska beräkningarna och effektiviteten i de klassiska beskrivningarna. Nobelpristagarnas arbete ligger till grund för forskning inom fysik, kemi och medicin som är väl representerad vid Stockholms alla högskolor, och inte minst för läkemedelsforskning och materialforskning inom svenskt näringsliv.

Utvecklandet av flerskalemodeller är fortfarande ett intensivt forskningsområde. En av många svårigheter som åtstår att lösa är att kemiska processer med tidskonstanter på sekunder och timmar drivs att molekyldynamik på en tidsskala av femtosekunder. För en mer fullständig förståelse skulle man behöva överbrygga detta tidsgap. En inte alltför vild gissning är att modellering av kemiska processer lär återkomma i Nobelsammanhang.

Av en händelse så handlar nästa föreläsning på vår kurs i kvantkemi om just flerskalemodeller, så nyfikna är hjärtligt välkomna.

Share this post
  •  
  •  
  •  
  •