Teoretisk kemi
Sammanfattande bedömning
Svensk teoretisk kemi, tidigare mest känd för framstående kvantkemi, är efter ett
generationsbyte fortfarande välmående och stark men nu med betydligt bredare fokus.
Förutom kvantkemi tillämpas också statistisk mekanik, bland annat molekylär dynamisk
simulering eller Monte Carlo-simulering, med stor framgång på vitt skilda problemområden.
Många teoretiska kemister forskar nu inom olika delar av den fysikaliska kemin, särskilt ytoch kolloidkemi, vätskor och lösningar men även inom spektroskopi, kvantdynamik och
kemiska reaktioner. Många har också långsiktigt migrerat till andra tillämpningsområden och
därmed starkt bidragit till exempel till organisk kemi, biokemi, material- och
läkemedelsforskning samt till övriga delar av kemin i mindre omfattning. En förskjutning från
grundläggande teori och metodutveckling till tillämpad teoretisk kemi dominerad av
respektive experimentella frågeställningar har skett med hjälp av tillförlitliga modeller och
teorier implementerade i användarvänliga och kraftfulla datorprogram. Denna utveckling mot
tillämpning väntas fortsätta men behovet av grundläggande teoretisk forskning kvarstår för att
fostra unga forskare och lösa stora utmaningar, till exempel att förstå system som uppvisar
både klassisk och kvantmekanisk karaktär genom koppling mellan högt kvantiserad
elektronrörelse och vibrationsdynamik med klassiska rotationer och translationer. Balanserad
grundläggande och tillämpad forskning tillsammans med starkt fokus på utbildning av yngre
forskare förväntas ge svensk teoretisk kemi en fortsatt gynnsam utveckling.
Ämnesbeskrivning
Den teoretiska kemin skiljer sig från andra traditionella ämnen inom kemin genom att den är
metodologiskt definierad: den som forskar inom kemin enbart med penna och papper samt
datorer utan att använda experimentella metoder blir av hävd betraktad som teoretisk kemist.
Basen för teoretisk kemi finns i de fysikaliska grundlagar som för kemiska problem nu är väl
etablerade. De finns i sin tur inom delområdena klassisk mekanik samt kvantmekanik som
båda beskriver naturen som uppbyggd av mikroskopiska partiklar lydande Newtons
rörelseekvation, Schrödingers ekvation för rörelse eller Einsteins relativitetsteori med alla de
följdrelationer som härletts från dessa. Dessutom finns termodynamiken som en traditionell
teori för makroskopiskt beteende. Medan många kemister använder termodynamiken i sin
ursprungliga makroskopiska form enligt Gibbs har sedan Boltzmanns forskning på 1800talets senare hälft en mikroskopisk bas för termodynamiken utvecklats, det vill säga statistisk
mekanik, som tillåter makroskopiska system att behandlas utgående från klassisk mekanik
och kvantmekanik för mikroskopiska partiklar. Det är svårt att särskilja de olika formerna av
teoretisk kemi men en grov uppskattning är att aktiviteterna fördelar sig som indikerat nedan:
-
Klassisk mekanik och molekylär dynamisk (MD) simulering ~20%;
-
Kvantkemi ~50%;
-
Kvantmekanik och kvantdynamik i spridningsteori och reaktionsdynamik ~10%;
-
Statistisk mekanik i vätsketeori och Monte Carlo (MC)-simulering av molekylära
system ~20%.
Kvantkemin som beskriver elektronstruktur och motsvarande egenskaper för atomer och
molekyler dominerar. Användningen har med hjälp av kommersiell programvara nu spritt sig
så att många kemister rutinmässigt använder både experimentella metoder och kvantkemi
medan antalet renodlade teoretiker bland kvantkemisterna är i avtagande. Metodutvecklingen
VR-NT:s webbforum januari 2011 – Teoretisk kemi
som lett till noggranna ab initio-metoder rigoröst baserade på vågfunktioner och praktiska
täthetsfunktionalsmetoder (DFT), vilka är mer approximativt baserade på elektrontätheter,
anses nu i många sammanhang tillräcklig. Elektronkorrelation kan beskrivas med hög
noggrannhet för små molekyler (1 kJ/mol) och med praktiskt användbar noggrannhet även för
stora molekyler. Viktig pågående forskning söker metoder som i beräkningsvolym skalar
linjärt med molekylstorleken samt funktionaler som kan beskriva dispersionskrafter, det vill
säga långväga elektronkorrelation. Relativistiska korrektioner inkluderas allt oftare i
beräkningar för system med tunga atomer.
Gaser, vätskor, fasta kroppar och andra mångmolekylära system beskrivs med
simuleringsmetoder baserade på en klassisk mekanisk behandling av molekylernas rörelse.
Simulering med hjälp av MD (som följer rörelsen enligt Newtons ekvation) och MC (som
genererar statistiska genomsnitt) stöds också av kommersiella och publika programvaror som
gör det möjligt att simulera komplexa system som vätskor, lösningar och biomolekylära
system. Här finns en koppling till kvantkemin genom beroendet av interaktionspotentialer
som tidigare i huvudsak varit empiriska men nu alltmer bestäms genom kvantkemiska
beräkningar. Analytisk representation av dessa potentialer har visat sig vara mycket svårt och
man vänder sig därför alltmer till ”direkta” metoder där kvantkemin ingår i
beräkningsprogrammet för att punktvis under simuleringens gång generera behövda energier
och krafter. Här finns trots stora framsteg utrymme för mycket ny utveckling av insiktsfulla
och effektiva metoder.
Kvantdynamiken som behövs för att beskriva reaktioner och transportprocesser är ännu i ett
tidigt skede karaktäriserat av metodutveckling och behandling av små system för vilka
reaktionsdynamiken kan utforskas i detalj. Under senare år har astrokemiska reaktioner samt
reaktioner vid ultrakalla (< 1 K) temperaturer varit i fokus i samband med tolkning av
astronomiska data och experimentella studier av Bose-Einstein-kondensation. Den mer
traditionella reaktionshastighetsteorin för större molekyler och högre temperaturer är av mer
statistisk och empirisk karaktär och kanske därför inte lika aktivt utvecklad av teoretiska
kemister i nuläget. Bortom simuleringsmetodiken finns semianalytiska former av statistisk
mekanik som används framgångsrikt för gaser, vätskor och lösningar – dock av ett relativt
fåtal kemister. Endast en mindre del av den teoretiska kemin handlar idag om utveckling av
teori och beräkningsmetoder medan en övervägande del är i form av tillämpningar av
existerande metodik med hjälp av stora programpaket.
Denna utveckling av den teoretiska kemin driven av inomvetenskapliga behov och framsteg
och avspeglad i den internationella litteraturen gäller med smärre justeringar också för
teoretisk kemi i Sverige. Det kan dock noteras att Sverige tidigare kraftigare har dominerats
av kvantkemin som hade – och har – många mycket framgångsrika företrädare i landet. Här
har dock skett ett generationsskifte och en kraftig förskjutning mot bredare kemiska
tillämpningar som har givit särskilt MD- och MC-simulering en mer framträdande roll i den
svenska teoretiska kemin vilken nu i stort har konvergerat med den internationella bilden av
ämnet.
Styrkor, svagheter och ämnesmässiga trender
Styrkor
I Sverige såväl som internationellt gäller att:
-
Kvantkemin åtnjuter ett högt internationellt anseende och kommer via migrerande
kvantkemister särskilt organisk kemi och biokemi till godo;
VR-NT:s webbforum januari 2011 – Teoretisk kemi
-
Statisk mekanik, särskilt simulering via MD- och MC-metodik, utvecklas och används
av ett växande antal forskare inom särskilt yt- och kolloidkemin men snart alla delar
av kemin;
-
Acceptansen av teoretisk kemi som ett ämne inom kemin – tidigare betraktad av
många kemister med skepsis – är nu stor om än inte alltid uttryckt i
institutionsstrukturer.
Svagheter
I Sverige såväl som internationellt gäller att:
-
Fundamental forskning och metodutveckling inom kvantkemin har bromsats upp till
förmån för applikationer ofta utförda av användare med ringa insikt i underliggande
fundamental teori;
-
Gränslandet mellan klassisk och kvantiserad mekanik fortsätter vara ett underutforskat
område inom teoretisk kemi;
-
Reaktionshastighetsteorin är relativt underrepresenterad.
Det är av största vikt att fundamental teori- och metodutveckling fortsätter för att alla
väsentliga kemiska problem ska bli föremål för tillförlitlig teoretisk behandling.
Elektronstruktur behandlas renodlat kvantmekaniskt. Simuleringsmetoderna MC och MD
appliceras däremot nästan undantagslöst inom klassisk mekanik medan den kemiska
verkligheten – inte bara för elektron- utan även för kärnrörelser – ofta karaktäriseras av starka
kvanteffekter. Klassisk dynamik är beräkningsmässigt betydligt enklare än kvantdynamik.
Sålunda kan man klassiskt simulera system med mycket stora atom-/molekylmängder
(partikelmängder), 10 000 eller fler, vid normala temperaturer. Kvantmekaniskt kan vi hantera
endast en handfull atomer/molekyler om vi ska följa dynamiken eller några hundratal om vi
bara söker grundtillståndet eller något fåtal exciterade tillstånd. Försöker vi närma oss den
klassiska gränsen med normala kvantmekaniska beräkningsmetoder hamnar vi i svåra
problem beroende på att antalet tillstånd snabbt blir ohanterbart stort. Även om det finns ett
antal så kallade semiklassiska metoder kan man säga att gränslandet mellan klassisk och
kvantiserad mekanik utgör en svår utmaning för våra beräkningsmetoder. Just i detta
gränsland återfinns dock många av våra relevanta kemiska system och problem, till exempel
reaktionsdynamiken. Här kan också inbegripas den koppling av elektron- och kärnrörelser
som inte låter sig beskrivas av enkel Born-Oppenheimer-approximation. Supraledning och
fotosyntes är viktiga problemområden som illustrerar komplex koppling mellan elektroner,
kärnor och elektromagnetisk strålning.
Hot och möjligheter
Hot
Man kan notera att en ökande dominans av beräkningsmetodik eventuellt kan bli ett hinder för
djupare förståelse av kemin. Man vinnlägger sig inte lika mycket längre om att med
analytiska metoder och genomtänkta approximationer effektivt förenkla kemins
problemställningar och därmed också fördjupa förståelsen. Härvid kan kemiutbildningen få en
utmaning: hur ska man se till att framtidens kemister förstår de avancerade
beräkningsprogram som man tidigt och flitigt kommer att använda och de många
beräkningsresultat man får tillgång till? Det är nu svårt att finna kursstöd för de avancerade
former av kvantmekanik och numerisk analys som ligger till grund för våra populära
beräkningsprogram. Det är också vanligt att man vet mer om vilket program och däri
tillgänglig metod man ska använda än om innebörden i resultatet man erhåller. Hela den
VR-NT:s webbforum januari 2011 – Teoretisk kemi
teoretiska kemin är i behov av ett bättre utbud av förberedande kurser. Generationsbytet i
Sverige är både hot och möjlighet. Tidiga ledargestalter har tillsammans med sina främsta
studenter länge givit Sverige en unikt stark ställning inom kvantkemin. Det blir en stor
utmaning att behålla och förnya en sådan lyskraft i tider när kemin i skolorna inte väcker
intresse bland eleverna. Rekryteringen till vidareutbildning i kemi är i nuläget nära nog
katastrofalt svag.
Möjligheter
Den teoretiska kemin har tiden på sin sida. Känd klassisk mekanik och kvantmekanik räcker
för att lösa de flesta kemiska problem – om tillräcklig beräkningskraft finns. Antalet
användare av teoretisk kemi växer stadigt både absolut och relativt. Den teoretiska kemin
tränger också in alltmer i alla delområden av kemin. Denna positiva utveckling drivs i första
hand av den teknologiska utvecklingen av datorerna som blir alltmer kraftfulla i termer av
processorhastighet, lagringsvolym och lagringshastighet samtidigt som de blir lättare att
använda. Även på mjukvarusidan drivs utvecklingen snabbt framåt också genom den ökande
kommersialiseringen av främst kvantkemiska beräkningar men även simuleringsmetodiken.
Det ovan nämnda generationsbytet i svensk kvantkemi kan eventuellt ge plats för nya
grupperingar och profileringar att växa sig starka. Alternativt kan styrkan finnas i den mer
balanserade närvaron av alla väsentliga forskningsområden. Kvantdynamik och
reaktionsdynamik gynnas av både metodutveckling och snabb tillväxt av datorkapacitet. Värt
att notera är att framgångsrika internationella sommarskolor för doktorander och forskare
spelat en stor roll i svensk kvantkemis höga anseende och kan förhoppningsvis få efterföljare i
passande former inom alla delar av den teoretiska kemin.
Forskningsinfrastruktur
Från att för 30 år sedan ha varit oerhört beroende av datacentraler och superdatorer och sedan
dedikerade minidatorer är nu kvantkemin mycket mindre beroende av stora investeringar i
datorer. Det är fortfarande av vital betydelse att ha tillgång till bra datorkraft, nu främst i form
av kluster av PC-processorer, men andelen av forskningsbidrag till teoretisk kemi som går till
datorutrustning har minskat – gissningsvis från nära 50% för 30 år sedan till under 10% idag.
Vetenskapsrådet stöder idag genom SNIC ett distribuerat ”metacenter” av lokala noder som
tillhandahåller datorkraft för stora delar av den teoretiska kemin i Sverige via kluster av
snabba beräkningsnoder i ett nätverk som tillåter parallellberäkningar. Detta har varit
uppskattat och effektivt. Utan denna satsning hade förmodligen teoretiska kemister i landet
behövt lägga mycket mer av sin tid på att söka bidrag till och driva lokala beräkningskluster.
Med SNIC:s systematiska program för investering i beräkningsinfrastruktur har
lobbyverksamhet, ansökningar och förhandlingar på lokal och nationell nivå hållits till ett
minimum samtidigt som beräkningskapaciteten följt med i den snabba utvecklingen. Det
nationella nätverket av beräkningsnoder med stöd från SNIC har varit tillgängligt för att fylla
stora och högt kvalificerade beräkningsbehov oavsett forskarens geografiska lokalisering.
Teoretisk kemi i Sverige är väl betjänt av denna mycket kostnadseffektiva infrastruktur för
krävande beräkningar.
VR-NT:s webbforum januari 2011 – Teoretisk kemi
