Enrico Fermi wees de weg; NOBELPRIJS CHEMIE VOOR TWEE COMPUTER-CHEMICI

De Nobelprijs voor chemie is toegekend aan twee theoretici op het gebied van de quantum-chemie. John Pople en Walter Kohn ontwikkelden slimme technieken waarmee de scheikundige achter zijn computer

chemische reacties kan doorrekenen.

SCHEIKUNDIGEN zijn meesters in het manipuleren van moleculen in een reageerbuis. Als ze van tevoren willen berekenen hoe een molecuul eruit ziet, wat zijn eigenschappen zijn en wat er zich precies tijdens een chemische reactie afspeelt, moeten ze een beroep doen op de natuurkunde en wel de quantum-mechanica. Die beschrijft het samenspel van elektronen en atoomkernen in de bindingen tussen de atomen waar een molecuul uit is opgebouwd.

Helaas zijn de vergelijkingen voor zelfs een eenvoudig molecuul als water zo ingewikkeld, dat ze niet meer oplosbaar zijn. Het heeft daarom tot het begin van de jaren zestig geduurd, voordat de technieken uit de quantum-mechanica heel voorzichtig toepassing begonnen te vinden in de scheikunde. Dat is natuurlijk voor een groot deel toe te schrijven aan het beschikbaar komen van steeds krachtiger computers. Op zichzelf was dat echter niet voldoende om de bloei te verklaren die de quantum-chemie sinds die beginjaren heeft doorgemaakt. Daarvoor waren zeker ook de bijdragen van de twee theoretici die dit jaar met de Nobelprijs werden onderscheiden - John Pople van Northwestern University en Walter Kohn van de University of California, Santa Barbara - van essentieel belang. Beiden ontwikkelden ze slimme technieken waarmee elke scheikundige tegenwoordig achter zijn computer reacties kan doorrekenen of ingewikkelde structuren kan bepalen.

In de quantum-chemie draaide aanvankelijk alles om de Schrodinger-vergelijking. Die beschrijft bijvoorbeeld hoe een elektron in een atoom of molecuul zich beweegt. Het waterstofatoom, dat maar een elektron bezit, kan zo exact worden beschreven, maar zodra er meer elektronen in het spel komen, wordt het veel moeilijker.

Men probeerde het probleem op te lossen door het gedrag van steeds een elektron te volgen in het veld van de atoomkernen en alle andere elektronen. Dat vergt een groot aantal - tot wel een miljard - afzonderlijke berekeningen. Nu is een computer geduldig, maar voor praktische toepassingen kost deze aanpak toch te veel tijd. Daarom was het zo belangrijk dat John Pople een methode bedacht waarmee het een factor honderd sneller ging. Bovendien ontwikkelde hij technieken waarmee het mogelijk is om de evenwichtsstructuur van een molecuul te berekenen, die rangschikking van atomen waarin de totale energie het laagst is. Daarmee werd het tegelijkertijd mogelijk om het verloop van chemische reacties te voorspellen en te berekenen wat voor energiebarrieres daarbij een rol spelen. Pople nam al deze mogelijkheden op in het programma GAUSSIAN, dat hij gratis ter beschikking stelde aan zijn collega's.

FUNDAMENTELER

De bijdrage van Kohn, van oorsprong een fysicus, is wat fundamenteler van aard. Zijn bijdrage is terug te voeren op een idee van de Italiaanse fysicus Enrico Fermi. Die bedacht dat het voor de beschrijving van een molecuul niet nodig is om precies te weten wat elk elektron op elk moment doet, maar dat je veel eenvoudiger de gemiddelde verdeling van de elektronen over het molecuul zou kunnen berekenen. Doordat de methode weinig succesvol was, werd deze snel verlaten. Het was Walter Kohn die in 1964 bewees dat de aanpak van Fermi wel degelijk juist was. Hij legde het theoretisch fundament voor een heel nieuwe aanpak van quantum-chemische problemen door aan te tonen dat de energie van een molecuul berekend kan worden als de ruimtelijke verdeling van de elektronen - de elektronendichtheid - bekend is.

Daar liet hij het echter niet bij, hij gaf ook aan hoe die elektronendichtheid berekend kon worden. Hoewel velen hun bijdrage hebben geleverd aan de toepassing van deze ideeen op berekeningen aan moleculen, is het toch aan het werk van Kohn te danken dat de Density Functional Theory kon uitgroeien tot een van de meest gebruikte technieken in de quantum-chemie. De eenvoud van de methode maakt het mogelijk om zeer grote moleculen - met wel honderden atomen - `door te rekenen' en zelfs te voorspellen hoe reacties verlopen waar enorme biomoleculen als enzymen bij betrokken zijn.

OZONLAAG

Beide laureaten hebben er met hun werk aan bijgedragen dat de computer niet meer weg te denken is uit de scheikunde. Dat heeft op allerlei gebieden van het wetenschappelijk onderzoek zijn invloed gehad. Het samenspel van honderden reacties die bijdragen aan de aantasting van de ozonlaag kan nauwkeurig worden gesimuleerd, waardoor een beter begrip wordt verkregen van de atmosferische chemie. In de farmaceutische industrie kan de werking van potentiele geneesmiddelen van te voren worden getest en geoptimaliseerd. En ten slotte kunnen de eigenschappen van moleculen die `traditionele' chemici niet eens in een laboratorium kunnen synthetiseren, maar die wel degelijk voorkomen in de ruimte tussen de sterren, worden berekend.