English
Swedish

13 oktober 1998

Kungl. Vetenskapsakademien har utdelat 1998 års Nobelpris i kemi inom området kvantkemi till
Walter Kohn, University of California at Santa Barbara, USA och
John A. Pople, Northwestern University, Evanston, Illinois, USA (brittisk medborgare).

Pristagarna har var för sig gjort banbrytande insatser för att utveckla metoder som kan användas för att teoretiskt studera molekylers egenskaper och kemiska processer.

Vetenskapsakademiens motivering:
“till Walter Kohn för hans utveckling av täthetsfunktionalteorin och till John Pople för hans utveckling av kvantkemisk beräkningsmetodik.”

Utveckling av beräkningsmetoder inom kemin belönas

Forskare har sedan länge sökt efter metoder för att kunna förstå hur bindningen mellan atomerna i molekyler fungerar. Då skulle det bli möjligt att beräkna molekylers egenskaper och deras växelverkningar. Kvantmekanikens framväxt inom fysiken, i början av 1900-talet, öppnade nya möjligheter, men tillämpningarna inom kemin lät vänta på sig. Det var inte praktiskt möjligt att hantera kvantmekanikens komplicerade matematiska samband för så komplexa system som molekyler.

En av kvantfysikens grundare, Dirac, uttryckte 1929 saken så här: “De fundamentala lagar som är nödvändiga för en matematisk behandling av stora delar av fysiken och hela kemin är sålunda fullständigt kända och svårigheten ligger endast i att ett tillämpande av dessa lagar leder till ekvationer som är alltför komplicerade för att kunna lösas.”

Utvecklingen tog fart i början av 60-talet, när datorer började användas för att lösa ekvationerna och kvantkemin (tillämpningen av kvantmekaniken på kemiska problem) blev en ny gren inom kemin. Nu på 90-talet ser vi resultaten av en enorm teoretisk och beräkningsmässig utveckling, och konsekvenserna för hela kemin är revolutionerande. Walter Kohn och John Pople är de två portalgestalterna i denna process. W. Kohns teoretiska arbete har lagt grunden för att förenkla matematiken i beskrivningen av atomers bindning, en förutsättning för många beräkningar som görs idag. J. Pople har utvecklat hela den kvantkemiska metodiken, så som den nu tillämpas inom kemins olika delar.

Datorbaserade beräkningar används numera allmänt som komplement till experimentella mätmetoder och har under de senaste årtiondena utvecklats och förfinats, så att man idag i detalj kan analysera materiens struktur och egenskaper. En konventionell beräkning av molekylers egenskaper bygger på en beskrivning av de enskilda elektronernas rörelse. Därför är dessa metoder matematiskt mycket komplicerade. Walter Kohn har visat att man inte behöver ta hänsyn till varje enskild elektrons rörelse, utan att det räcker att veta hur många elektroner som i genomsnitt befinner sig i varje punkt i rummet. Detta har lett fram till en beräkningsmässigt enklare metod, den s.k. täthetsfunktionalteorin. Enkelheten i metodiken gör det möjligt att studera mycket stora molekyler. Idag kan man t.ex. använda beräkningar för att förklara hur enzymers reaktioner går till. Det har tagit mer än 30 år för ett stort antal forskare att göra dessa beräkningar praktiskt genomförbara. Metoden är idag en av de mest använda inom kvantkemin.

John Pople belönas för att ha utvecklat beräkningsmetoder, som gör det möjligt att teoretiskt studera molekyler, deras egenskaper och hur de samverkar i kemiska reaktioner. Dessa metoder utgår från kvantmekanikens grundläggande lagar som de definierats bl.a. av fysikern E. Schrödinger. Man matar in i en dator uppgifter om en molekyl eller en kemisk reaktion och får som resultat en beskrivning av molekylens egenskaper eller hur reaktionen kan gå till. Resultaten används ofta för att belysa eller förklara resultat från olika slags experiment. Pople gjorde sina beräkningsmetoder lättillgängliga för forskarna genom att konstruera ett datorprogram, GAUSSIAN. Dess första version publicerades 1970. Programmet har sedan dess utvecklats vidare och används idag av tusentals kemister vid universitet och industri runt om i världen.

Kvantkemi – en bakgrund
Kvantmekanikens lagar, som formulerades för mer än 70 år sedan, gör det teoretiskt möjligt att förstå och beräkna hur elektroner och atomkärnor växelverkar och bygger upp materien i alla dess former. Kvantkemins uppgift är att utnyttja denna kunskap för att beskriva molekylära system. Detta visade sig vara lättare sagt än gjort. Det var först i början på 60-talet som utvecklingen sköt fart. Avgörande var dels utvecklingen av en helt ny teori för beskrivning av elektroners fördelning i rummet, dels utnyttjande av den ökande potential datorerna erbjöd. Walter Kohn visade 1964 att den totala energin för ett system, som beskrivs med kvantmekanikens lagar, i princip kan beräknas om man känner elektronernas fördelning i rummet (den s.k. elektrontätheten). Frågan är bara hur energin beror på tätheten. Kohn gav viktiga ledtrådar, som var baserade på hur beroendet ser ut i ett tänkt system med fria elektroner. Det skulle emellertid dröja flera årtionden och många forskares insatser innan ekvationen som bestämmer energin var så noga kartlagd att studier av molekylära system i stor skala blev möjliga. Delvis har detta skett genom att ett litet antal variabler anpassas till experimentella data. Den metod Kohn införde kom att kallas täthetsfunktionalteorin. Den används idag för studier av en mängd kemiska problemställningar, alltifrån att beräkna molekylers utseende (dvs. bindningsavstånd och vinklar) till att kartlägga kemiska reaktioner.

Under 60-talet påbörjades en febril verksamhet av flera forskargrupper i Europa och USA att utnyttja datorernas stora potential. Nya beräkningsmetoder utvecklades och förfinades. John Pople var en ledande gestalt i detta fält. Han insåg att om teoretiska metoder skulle få någon betydelse inom kemin så måste man veta hur noggranna resultaten är i ett givet fall. Vidare måste de vara lätta att använda och de får inte vara alltför resurskrävande. Genom några betydelsefulla förbättringar av den teoretiska metodiken i slutet på 60-talet kunde Pople konstruera ett datorprogram som på flera avgörande punkter var överlägset andras ansträngningar. De ovan angivna förutsättningarna kunde uppfyllas och GAUSSIAN-70, som programmet kom att kallas, fick mycket snart stor spridning. Pople fortsatte under 70- och 80-talen att förfina metodiken, samtidigt som han byggde upp en väl dokumenterad modellkemi. I denna utveckling kunde Pople i början på 90-talet inkludera Kohns täthetsfunktionalteori. Härigenom öppnade sig möjligheten för analys av även mer komplexa molekyler.

Fig. 1. Elektrontätheten hos aminosyran cystein beräknad med ett kvantkemiskt datorprogram. Bilden visar den yta där elektrontätheten är 0,002 elektroner/Å3 (innebärande att nästan alla elektroner befinner sig innanför ytan). Gråskalan visar den elektrostatiska potentialen på denna yta, där mörkare partier svarar mot negativ potential.

Kvantkemins tillämpningar
Kvantkemi används idag inom alla delar av kemin och molekylfysiken. Förutom att ta fram kvantitativ information om molekyler och deras växelverkningar, så ger också teorin en djupare förståelse av de molekylära processerna, något som man inte kan få enbart från experiment. Teori och experiment samspelar idag i sökandet efter förståelsen av materiens inre struktur. Hur går då en kvantkemisk beräkning till?

Låt oss ta exemplet med aminosyran cystein, som vi avbildat ovan. Hur fick vi fram den bilden? Vi sätter oss vid datorn och startar det kvantkemiska programmet. På menyn väljer vi ut en molekyl, där en kolatom (C) är bunden till en väteatom (H), en aminogrupp (NH_2), en tiolato-metylgrupp (CH₂SH) och en karboxylgrupp (COOH). Datorn ritar upp en grov bild av molekylen på skärmen. Vi instruerar nu datorn att genomföra en bestämning av molekylens geometri genom en kvantkemisk beräkning. Denna kan gå på någon minut, om vi är nöjda med ett ungefärligt resultat, men kan också ta upp till ett dygn, om vi vill ha hög noggrannhet. Bilden på skärmen ändrar sig efterhand mot större exakthet upp till en förutbestämd nivå. När denna operation är klar kan vi be datorn beräkna olika egenskaper hos systemet. På bilden ovan har vi beräknat en yta med konstant elektrontäthet. Ytan har färglagts med hjälp av värden på laddningsnivån. Denna kan användas t.ex. för att förutsäga hur molekylen växelverkar med andra molekyler och laddningar i sin omgivning. Sådan information används bl.a. för att studera hur proteiner (som ju är uppbyggda av aminosyror) växelverkar med olika substrat (t.ex. i läkemedel).

Ett annat exempel kan hämtas från universum, där det förutom stjärnor och planeter också finns en stor mängd interstellär materia, ofta samlad i stora moln. Vad består denna materia av? Den kan enbart studeras från jorden genom den radiostrålning som molekylerna utsänder. Strålningen uppstår därför att molekylerna roterar. Det är därför möjligt att med hjälp av strålningens frekvensspektrum bestämma molekylernas sammansättning och utseende. Detta är emellertid en vansklig uppgift, speciellt som dessa molekyler inte alltid kan framställas i laboratorier så att material för jämförande studier kan erhållas. Kvantkemin lider emellertid inte av några sådana begränsningar. Beräkningar på förmodade strukturer kan ge information om frekvenserna i radiostrålningen som direkt kan jämföras med data insamlade av radiotele-skopen. Därigenom kan teori och mätningar tillsammans ge information om den molekylära sammansättningen av den interstellära materien.

Ännu ett exempel. Högt uppe i atmosfären finns ett tunt skikt av ozonmolekyler, som skyddar oss mot solens ultravioletta strålning. Ämnen, som vi släpper ut i atmosfären (t.ex. freoner) kan leda till att ozonskiktet förstörs. Hur sker detta? Vilka kemiska reaktioner äger rum? Med hjälp av kvantkemiska beräkningar kan vi i detalj beskriva dem och därmed också förstå dem. Denna kunskap kan hjälpa oss att vidtaga åtgärder för att göra atmosfären renare.

Kvantkemin används idag inom så gott som alla grenar av kemin, allt i syfte att öka vår kunskap om materiens inre struktur. Walter Kohns och John Poples vetenskapliga arbeten har varit avgörande för att bygga upp detta nya forskningsfält.

Walter Kohn föddes 1923 i Wien, Österrike. Han var professor vid Carnegie Institute of Technology i Pittsburgh, USA 1950-60 och vid University of California i San Diego 1960-79 samt direktör för Institutet för teoretisk fysik i Santa Barbara 1979-84, där han fortfarande verkar.

Professor Walter Kohn
Department of Physics
University of California at Santa Barbara
CA 93106, USA

John A. Pople föddes 1925 i Burnham-on-Sea i Somerset, England. Brittisk medborgare. Han blev Ph.D. i matematik i Cambridge, England, 1951. 1964 blev han professor i kemisk fysik vid Carnegie-Mellon University, Pittsburgh, USA och vidare professor i kemi vid Northwestern University, USA 1986, där han fortfarande verkar.

Professor John A. Pople
Northwestern University
Department of Chemistry
2145 Sheridan Road
Evanston, IL 60208, USA