 |
 |
| Volteru Konu (Walter Kohn), sa Kalifornija
Univerziteta u Santa Barbari, SAD i
Walter Kohn je rodjen u Becu, Austrija, 1923. Bio je profesor na Carnegie Institute of Technology u Pitsburgu, SAD od 1950. do 1960. i na University of California u San Dijegu od 1960. do 1979. Bio je direktor Instituta za teorijsku fiziku u Santa Barbari, gde je jos aktivan, od 1979. do 1984. |
Dzonu Poplu (John A. Pople), sa Nortvestern
Univerziteta u Evanston-u, Ilinoj, SAD
John A. Pople je rodjen u Burnham-on-Sea u Somerset-u, U.K. 1925. Britanski gradjanin. Doktorat iz Matematike je stekao na Kembridzu, U.K., 1951. Postaje profesor hemijske fizike 1964. na Carnegie-Mellon University, Pittsburgh, SAD, a zatim profesor hemije na Northwestern University, SAD, 1986., gde je jos aktivan. |
Svaki od laureata je dao pionirski doprinos razvoju metoda koje se mogu koristiti za teoretsko
proucavanje osobina molekula i hemijskih procesa u kojima oni ucestvuju.
"Volteru Konu za njegov razvoj teorije funkcionala gustine i Dzonu Poplu za njegov razvoj
racunarskih metoda u kvantnoj hemiji."
U hemiji postoji jedan metodoloski problem kojega mnogi nisu ni svesni. Naime, hemija se
smatra eksperimentalnom naukom i svi glavni rezultati istrazivanja u hemiji se radjaju u
hemijskim laboratorijama. Dakle, radi se rukama, sa nekim materijalom, koji na ocigled menja
svoje osobine pri hemijskoj reakciji. Medjutim, da bi bilo sta objasnili u hemiji moramo se
posluziti visoko apstraktnim modelima zasnovanim na fundamentalnim teorijama o strukturi
materije. Zbog toga je i razvoj hemije uvek bio veoma vezan za razvoj ideja o strukturi atoma i
molekula. Prva opsta fizicka teorija koja je mogla ove stvari bitnije objasniti je kvantna
mehanika. Svi znaju da to znaci jako puno racunanja; i tako su racunari postali nezamenljivo
orudje u hemijskim istrazivanjima.
Istrazivaci su dugo tragali za metodama pomocu kojih bi razumeli kako veze izmedju atoma u molekulima funkcionisu. Takvim metodama bilo bi moguce izracunati osobine molekula i njihovu uzajamnu zavisnost. Razvoj kvantne mehanike u fizici pocetkom ovog veka otvorio je nove mogucnosti, ali je primena u hemiji bila jos daleko. Prakticno nije bilo moguce rukovati slozenim matematickim relacijama kvantne mehanike za tako slozene sisteme kao sto su molekuli.
Jedan od utemeljivaca kvantne fizike, Dirak (Dirac), izrazio je problem 1929-e na sledeci nacin: "Osnovni zakoni neophodni za matematicku obradu velikih delova fizike i cele hemije su u potpunosti poznati, a teskoca je samo u cinjenici da primena ovih zakona dovodi do jednacina koje su suvise slozene da bi se mogle resiti."
Stvar je krenula sa mesta pocetkom 1960-ih kada su kompjuteri poceli da se koriste za resavanje ovih jednacina i kvantna hemija (primena kvantne mehanike na hemijske probleme) pojavljuje se kao nova grana hemije. Kako se priblizava kraj 1990-ih vide se rezultati ogromnog teorijskog i racunarskog razvoja, a posledica toga je revolucionisanje cele hemije. Volter Kon i Dzon Popl su dve najistaknutije figure u ovom procesu. Teorijski rad V.Kona formirao je osnovu za uproscavanje metematike kod opisa vezivanja atoma, sto je preduslov mnogih danasnjih izracunavanja. Dz. Popl je razvio celu kvantno-hemijsku metodologiju koja se sada koristi u raznim granama hemije.
Izracunavanja pomocu kompjutera se danas generalno koriste kao dopuna eksperimentalnim tehnikama. Tokom nekoliko decenija ona su razvijana i doterivana tako da je danas moguce do detalja analizirati strukturu i osobine materije. Konvencionalno izracunavanje osobina molekula zasniva se na opisu kretanja pojedinacnih elektrona. Zbog toga su takve metode matematicki veoma komplikovane. Volter Kon je pokazao da nije neophodno razmatrati kretanje svakog pojedinog elektrona: dovoljno je znati prosecan broj elektrona lociran na ma kojoj tacku u prostoru. To je dovelo do racunski prostije metode, teorije funkcionala gustine (DFT, density-functional theory). Jednostavnost metode omogucava da se njom proucavaju veoma veliki molekuli. Danas, na primer, mogu se koristiti izracunavanja za objasnjenje kako se desavaju enzimske reakcije. Trebalo je preko trideset godina velikom broju istrazivaca da ucini ova izracunavanja prakticnim, i metoda je sada jedna od najsire koriscenih u kvantnoj hemiji.
Dzon Popl je nagradjen za razvoj racunarskih metoda koje omogucavaju teorijsko proucavanje
molekula, njihovih osobina i nacina na koji deluju u hemijskim reakcijama. Ove metode su
zasnovane na na fundamentalnim zakonima kvantne mehanike kako ih je definisao, izmedju
ostalih, fizicar E. Sredinger (Erwin Schrödinger). Kompjuteru se daju neki podaci o molekulu ili
hemijskoj reakciji i rezultat je opis osobina tog molekula, ili kako se desava hemijska reakcija.
Ovi rezultati se cesto koriste za ilustraciju ili objasnjenje, pa i predvidjanje, rezultata raznih vrsta
eksperimenata. Popl je ucinio svoju tehniku lako dostupnom istrazivacima izradom
kompjuterskog programa GAUSSIAN. Prva verzija bila je publikovana 1970. Program je nakon
toga dalje razvijan i danas ga koriste hiljade hemicara na univerzitetima i komercijalnim
kompanijama sirom sveta.
Preskocicemo pricu o razvoju kvantne hemije i citaocima cemo ponuditi kratak pregled nekih mogucnosti primene metoda i rezultata kvantne hemije.
Kvantna hemija se danas koristi u svim granama hemije i molekularne fizike. Ne samo sto daje kvantitativne informacije o molekulima i njihovim interakcijama, vec takodje teorija obezbedjuje dublje razumevanje molekuskih procesa koje se ne moze dobiti iz samih eksperimenata. Teorija i eksperimenti se danas kombinuju pri istrazivanjima u potrazi za razumevanjem unutrasnje strukture materije. Kako se dakle izvode kvantno-hemijska izracunavanja?
Sednemo za kompjuter i pokrenemo kvantno
hemijski program. Iz menija izaberemo molekul u
kome je, na primer, atom ugljenika (C) vezan za
vodonikov atom atom (H), amino grupu (NH2),
tiolatometil grupu (CH2SH) i karboksilnu grupu
(COOH). Kompjuter nacrta grubu sliku molekula,
aminokiseline cisteina na ekranu. Sada damo
instrukciju kompjuteru da odredi geometriju
molekula kvantno-hemijskim izracunavanjem.
Ovo moze potrajati otprilike minut ako smo
zadovoljni samo sa grubim rezultatom, ali i ceo
dan ako zelimo visoku pouzdanost. Slika na
ekranu se postepeno menja ka vecoj pouzdanosti
do unapred odredjenog nivoa. Kada se ova
operacija zavrsi mozemo zatraziti da kompjuter
izracuna razlicite osobine sistema. U prilozenoj ilustraciji izracunali smo povrsinu sa
konstantnom elektronskom gustinom. Povrsina je obojena zavisno od vrednosti elektrostatskog
potencijala. To se moze upotrebiti, na primer, za predvidjanje kako molekul interaguje sa
drugim molekulima i naelektrisanjima u svojoj okolini. Takva informacija moze se upotrebiti za
proucavanje kako protein (koji je izgradjen od amino kiselina) interaguje sa razlicitim
supstratima, npr. sa lekovima.
Drugi primer se moze uzeti iz svemira, u kome, pored zvezda i planeta, postoji velika kolicina medjuzvezdane materije, cesto okupljene u ogromnim oblacima. (Ovi oblaci su dosta razliciti od nasih zemaljskih, jer imaju svega po nekoliko molekula u kubnom metru, ali je i to za medjuzvezdani prostor velika gustina.)
Od cega je ova materija sastavljena? To se sa zemlje moze proucavati preko zracenja koje emituju molekuli. Zracenje se javlja zbog rotacije molekula. Otuda je moguce koristeci spektar zracenja odrediti sastav i izgled molekula. Medjutim, ovo je neverovatno tesko proveriti eksperimentalno narocito zbog toga sta se ovakvi molekuli ne mogu uvek proizvesti u laboratoriji i tako dobiti materijal za uporedno proucavanje. (Naime, slobodni radikali, kao HO ili HCO, su suvise reaktivni i smesta reaguju izmedju sebe, ili sa drugim molekulima koji se nalaze u reakcionom sudu. Visoki vakuum medjuzvezdanog prostora im omogucava da veoma dugo opstaju, ali se na zemlji ne mogu obezbediti ni priblizno slicni uslovi.) Kvantna hemija, medjutim, ne pati od ovakvih ogranicenja. Izracunavanja zasnovana na pretpostavljenim strukturama mogu dati informaciju o radio-emisionim frekvencama i mogu se direktno uporediti sa podacima prikupljenim pomocu radio teleskopa. Na ovaj nacin, teorija i merenja zajedno, mogu dati informaciju o molekulskom sastavu medjuzvezdane materije.
Jos jedan primer. Visoko gore u atmosferi postoji tanak sloj molekula ozona koji nas stiti od ultra-ljubicastog zracenja sunca. Supstance koje ispustamo u atmosferu (npr. freoni) mogu dovesti do razaranja ozonskog sloja. Kako se to desava? Koje hemjske reakcije su umesane? Kvantno-hemijskim izracunavanjem mozemo ih do detalja opisati i tako razumeti. To znanje nam moze pomoci da preduzmemo korake koji ce nasu atmosferu uciniti cistijom.
Kvantna hemija se danas koristi u prakticno svim granama hemije, uvek sa ciljem da se poveca
nase znanje o unutrasnjoj strukturi materije. Naucni rad Voltera Kona i Dzona Popla bio je
presudan za razvoj ovog novog polja istrazivanja.
Napomena: Ovaj prikaz je zasnovan velikim delom na informaciji Svedske kraljevske akademije,
koja se moze naci na internetu.
Beograd, 5.11.1998.
redovni profesor
Univerziteta u Beogradu