Digitale molekyler - i kvantealderen er kemi = fysik

Hvorfor er guld gult?

Da guld er et metal, og andre metaller er grålige eller sølvagtige, er det faktisk mærkeligt. Forklaringen ligger i kvanteteorien og var derfor uden for vores rækkevidde, indtil Niels Bohr og hans medkvantepionerer åbnede døren til forståelsen af ​​naturen på atomniveau for lidt mere end 100 år siden.

Det er overflødigt at sige, at guld er meget værdifuldt i sig selv. Ikke kun i smykker. Vi taler om gyldne perioder inden for maleri og litteratur, tildeler de bedste atleter guldmedaljer, og selv i dag opretholder regeringer nationale reserver af guld.

Ville alt dette være det samme, hvis guld havde samme farve som f.eks. jern? Bestemt ikke.

Forklaringen bag fænomenet går dog ud over betydningen af ​​selve guldet. Vi er trådt ind i en ny tidsalder, hvor udvikling af nye materialer ikke længere er et spørgsmål om at blande forskellige stoffer for at se, hvad der vil ske.

Ved at fusionere kemi med kvanteteori vil det være muligt at designe nye molekyler på en computer.

Det er vigtigt, at disse nye molekyler kan have de helt rigtige optiske, ledende eller magnetiske egenskaber, for eksempel til at omdanne sollys til energi eller lagre energi på lang sigt, til at designe nye lægemidler eller til brug i den elektronik i nanostørrelse, der driver det moderne samfund.

Hurtige elektroner gør guld gult

Inden vi går ind i det nye felt inden for digital kemi, så lad os  først fokusere på hvorfor guld er gult.

Ifølge Albert Einsteins relativitetsteori vil egenskaberne for to identiske objekter være forskellige, hvis de rejser med forskellig hastighed.

På trods af generel accept af teorien blev den i mange år ikke anset for relevant i kemi.

De andre kræfter, der styrer kemiske reaktioner, blev antaget at være så dominerende, at relativistiske effekter kunne negligeres.

Overgangen forårsager absorption af elektromagnetisk stråling ved de bølgelængder, som synes blå for det menneskelige øje.

Da gul er komplementær til blå, opfattes lys med mangel på blåt som gult.

Skræmmende omkostninger ved beregning

Så hvordan kan vi tage kvanteeffekter i betragtning i kemi? Det gør bestemt tingene sværere, at kvantemekanikken sjældent tildeler specifikke positioner og egenskaber til specifikke partikler.

I stedet opererer kvanteteorien med sæt af sandsynligheder for, at en partikel er i en given position og har visse egenskaber.

Dette gør tingene så komplekse, at kun få trivielle systemer kan løses nøjagtigt: selv et enkelt atom med mere end én elektron har unddraget sig den nøjagtige løsning. For alt andet end de simpleste kvantesystemer tilnærmer vi i stedet løsninger numerisk gennem enorme beregninger.

Sådanne beregningseksperimenter giver svar på mange fysik- og kemispørgsmål. De køres dog typisk på supercomputere, nogle gange i mange måneder.

Således er opdagelse begrænset af omkostningerne ved beregninger, som vokser med hæsblæsende eksponentielle hastigheder med antallet af elektroner.

Dette er en form for molekylær origami, der forhåbentlig vil gøre det muligt at designe nye molekyler med ønskværdige egenskaber i fremtiden.