Få utskriftsvennlig versjon ved å trykke på denne

Einsteins teori gjør hele forskjellen når kjemiker skal finne gull

Vårt øye skiller 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.


Vibeke Os 15.11.2018 13:01   (Sist oppdatert: 15.11.2018 13:14)

Uten Einsteins relativitetsteori vil en datamodell ikke kunne skille sølv fra gull, kjemiker Marius Kadek kaller fargen av gull en relativistisk effekt. Foto: Colourbox

Marius Kadek bruker ikke lab-frakk selv om han er kjemiker, han forklarer smilende at han har tatt en doktorgrad som i sin helhet ble utført foran datamaskinen. Han er teoretisk kjemiker og har jobbet med metoder som skal kunne beskrive materialer og nye forbindelser mer nøyaktig enn før.

Når forskerne vil utvikle nye materialer er det verdifullt å først kunne teste deres egenskaper med kjemiske beregninger på datamaskinen. 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.

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 bilder, som MR og røntgen. Nå har kjemikeren tatt de kjemiske beregningene ett steg videre.

Relativistiske effekter har vært beskrevet før, det som skiller Marius Kadek sin metode fra andre er at hans modell også vil kunne beskrive hva som skjer med stoffer når de utsettes for elektriske felt, og kunne gi en bedre beskrivelse av faste stoffer. Hvem vet, kanskje kan dette en dag kan gi mer presise MR-bilder og røntgenbilder? Foto: Vibeke Os

Inkluderer mer av virkeligheten

–Du kan i grunnen si at vi inkluderer mer av virkeligheten i vår nye datamodell, forklarer Kadek.

Og virkeligheten - det er rom, tid og krefter, minner han om, begrepene som Einstein i sin tid 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 at stoffer arter seg. Samtidig vil vi at beregningene skal være enkle nok slik at de faktisk lar seg løse i rimelig tid. Måten vi gjør våre forenklinger på vil ofte være avgjørende for hvor nøyaktig metoden vår blir og hva man faktisk kan bruke den til, påpeker Kadek.

Kadek har blant annet forsket på germanene og studert om dette kan lede strøm eller ikke, her er stoffet beskrevet med to ulike energinivå. Dersom blått og rødt felt møtes kan stoffet lede strøm, hvis ikke, vil det ikke ha denne egenskapen – en hårfin forskjell som gir totalt ulike egenskaper. Foto: Marius Kadek

Tunge stoffer

Databeregninger av kjemiske prosesser og molekyler har vært 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.

Nå har Kadek i sitt doktorgradsarbeid laget en ny metode der også tunge kjemiske stoffer kan inkluderes i beregninger, samtidig som man bevarer nøyaktigheten. Han har nemlig tatt høyde for relativitetsteorien – teorien som Einstein er berømt for å ha utviklet.

Men hva har så dette med gull å gjøre?

Det er hårfine forskjeller som gjør at gull og sølv reflekterer lys forskjellig, denne hårfine forskjellen var ifølge Kadek ikke mulig å beskrive godt tidligere, men nå kan forskerne få med de fine nyansene som gjør at fargeforskjellen kan beskrives.

Kadek forklarer at for de tunge elementene i nedre halvdel av det periodiske system så er det sterke krefter involvert mellom atom og elektroner, og elektronene har høyere hastighet rundt kjernen enn i lette stoffer. Denne hastigheten gjør at relativistiske effekter som lysets hastighet får større betydning. For å kunne beskrive enkelte fargenyanser må likningene altså inkludere Einsteins teorier.

Kvikksølv ble flytende igjen

–Et annet eksempel på en spennende effekt av relativitetsteorien er kvikksølv, opplyser Kadek, det eneste metallet vårt som er flytende i romtemperatur.

Uten å inkludere relativitetsteorien i beregningene ville kvikksølv fremstå som et fast stoff!

I arbeidet sitt har Kadek blant annet sett på grafèn-liknende materialer av ulike metaller (germanene og silicene), tynne flak av atomer i nanoskala. Grafen av tunge metaller kunne tidligere synes å lede strøm, men har med Kadek sin metode vist seg å ikke gjøre det.

Kjemikerens teoretiske beregninger er basert på kvantekjemi, der hvert stoff er beskrevet med ulike energinivåer. Vi kan tenke på disse energinivåene i et molekyl som etasjene i et hus. I de «gamle» metodene var det stor avstand mellom «etasjene», mens når relativitetsteorien inkluderes i beregningene, så endres avstanden mellom etasjene, og det gjør at det kreves mer eller mindre energi for å gå fra en etasje til en annen, og dette har stor betydning når vi skal sammenlikne med verden omkring oss, som alltid inkluderer relativistiske effekter. Dette gjør Kadek sine beregninger mer nyanserte – og mer realistiske.

Marius Kadek er fra Slovakia og hadde en master i teoretisk fysikk fra Universitetet i Bratislava før han tok en doktorgrad ved Institutt for kjemi i Tromsø, han disputerte 28. august 2018 med følgende oppgave: «Advancing relativistic electronic structure methods for solids and in the time domain.»  Han ble veiledet av Kenneth Ruud og Michal Repisky ved Institutt for kjemi, UiT og var tilknyttet CTCC/Hylleraas senteret, som er sentre for fremragende forskning ved UiT og ved Universitetet i Oslo.

Les mer:
Advancing relativistic electronic structure methods for solids and in the time domain (Doktorgradsavhandling i UiT sitt vitenarkiv, MUNIN)

*Relativitetsteorien (Store norske leksikon)

Hylleraas- senteret (prosjektside UiO/UiT)