Kemiska sektionen

Teoretisk kemi - populärvetenskaplig presentation

För att systematiskt kunna förbättra eller kontrollera kemiska reaktioner så vill vi förstå hur de fungerar ner på atom eller till och med elektronnivå. Det är dock svårt att se sådana detaljer i de flesta kemiska experiment.  Istället för att vända sig till dragskåpet när nya modeller ska testas, vänder sig den teoretiska kemisten mot pennan och papperet, och i allt större utsträckning mot datorn.

Parallellt med den snabba utveckling av datorerna har teoretisk kemi också vuxit snabbt. Framstegen har lett till ett ett stort antal underfält som står i ständig utveckling och området är nu ett väldigt brett forskningsfält. Den huvudsakliga faktorn som stimulerat till fältens utbredning är att det inte finns någon universallösning till alla problem; en metod som är beräkningsmässigt effektiv, och samtidigt kan hantera alla typer av system och modeller. En metod som kan hantera processer över sekundlånga tidsskalor, t.ex. klassisk molekyldynamik, är inte nödvändigtvis lämplig för att ge detaljerade beskrivningar av elektronstrukturen hos en given molekyl eller atom. Det sistnämnda problemet relaterar till ett utav vårt forskningsprograms största område: kvantkemi. Med hjälp av den kvantmekaniska beskrivningen av elektronernas fysik utför vi storskaliga datorberäkningar, ofta med hjälp av enorma datorkluster, för att studera strukturen och dynamiken hos olika typer av molekyler.

För att förstå hur en kemisk reaktion sker utvecklar och tillämpar vi nya beräkningsmetoder som gör det möjligt att följa hur atomerna rör sig under en hos kemisk reaktion och se hur kärnor och elektroner växelverkar när kemiska bindningar bryts eller skapas. Ett aktuellt område är att genom kombinationer av laserpulser kontrollera resultatet av kemiska reaktioner.

Effektiv solenergi med hjälp av röntgenundersökningar

Solenergi kan i framtiden bli den viktigaste källan till vår energiförsörjning. Ett problem är dock att solens strålning varierar med årstid, väder och tid på dygnet. Energisystem med stor andel solenergi måste därför kunna lagra energin för mörkare tider. En möjlighet är att direkt omvandla solenergin till kemisk energi i bränslen, t ex vätgas eller metanol, ett system som påminner om växternas fotosyntes. Det kräver dock effektiva katalysatorer, och de syntetiska katalysatorer som finns idag är inte tillräckligt effektiva och bryts dessutom ned alldeles för lätt. För att bygga bättre katalysatorer vill vi på detaljerad nivå kunna studera dess struktur och egenskaper.

En vanlig metod för att undersöka ett materials egenskaper är att se vilken typ av synligt ljus den absorberar. Den metoden kommer dock inte att kunna användas i verkliga system eftersom det då, förutom katalysatorerna, även kommer finnas molekyler som är designade för att fånga in så mycket ljus som möjligt. En undersökning av ett löv skulle mest se klorofyllets gröna färg.

För att komma runt det problemet kan man använda röntgenstrålning. Varje grundämne absorberar strålning som har tillräckligt med energi för att excitera en elektron från ett av de inre elektronskalen. Genom att anpassa strålningens energi kan man fokusera på den övergångsmetall som utgör den aktiva delen av katalysatorn. Nackdelen är att den atom som tagit upp energin från röntgenstrålningen blir instabil, och det inre elektronskalet fylls snabbt av andra elektroner. Kvantmekanikens osäkerhetsprincip säger att energin hos väldigt kortlivade tillstånd är svår att bestämma, så den information som kommer ut från sådana experiment är suddig.

Ett lovande alternativ är att istället titta på spridning av röntgenstrålningen, d v s även på det som kommer ut efter att provet bestrålats. Genom att noggrant mäta energiskillnaden mellan den röntgenstrålning som kommer in och den som kommer ut, behöver man inte titta direkt på det energirika tillståndet, och kommer därför runt osäkerhetsprincipen. De mätningarna kräver väldigt intensiva röntgenkällor, s.k., synkrotronljuskällor, och utvecklingen av dessa anläggningar gör det nu möjligt att få högupplösta spektra för olika typer av katalysatorer. Samtidigt sker en snabb utveckling av frielektronlasrar och extremt kraftfulla synktronljusanläggningar som MAX IV i Lund, något som öppnar för helt nya fält inom röntgenforskningen.

Framstegen för de experimentella metoderna leder till behov av avancerade teoretiska modeller som kan tolka den nya informationen. Målet för projektet är att utveckla och förfina en metod, baserad på en korrekt beskrivning av den kvantmekaniska vågfunktionen, som på ett effektivt sätt beskriver de energirika tillstånd som uppkommer vid absorption och spridning av röntgenstrålning. Metoden skall sedan användas för att tolka spridningsexperiment på katalysatorer i solenergisystem, och analysera vilka faktorer som är viktiga för att uppnå effektiv katalys. I förlängningen kan det leda till mer effektiva solenergisystem.