Centre for Theoretical and Computational Chemistry Hva driver vi med og hva ønsker vi å oppnå? Kenneth Ruud CTCC, Institutt for kjemi Universitetet i Tromsø 9037 Tromsø I UNIVERSITETET TROMSØ Oslo, 17/1 2008 Kenneth Ruud (CTCC) CTCC Oslo, 17/1 2008 1 / 15
Den historiske utviklingen Every attempt to employ mathematical methods in the study of chemical questions must be considered profoundly irrational. If mathematical analysis should ever hold a prominent place in chemistry an aberration which is happily impossible it would occasion a rapid and widespread degradation of that science. Auguste Comte, Cours de philosophie positive, 1830 Kenneth Ruud (CTCC) CTCC Oslo, 17/1 2008 2 / 15
Den historiske utviklingen Every attempt to employ mathematical methods in the study of chemical questions must be considered profoundly irrational. If mathematical analysis should ever hold a prominent place in chemistry an aberration which is happily impossible it would occasion a rapid and widespread degradation of that science. Auguste Comte, Cours de philosophie positive, 1830 The underlying physical laws necessary for the mathematical theory of a large part of physics and the whole of chemistry are thus completely known, and the difficulty is only that the exact application of these laws leads to equations much too complicated to be soluble. Paul Dirac, Quantum mechanics of many electron systems, 1929 Kenneth Ruud (CTCC) CTCC Oslo, 17/1 2008 2 / 15
Den historiske utviklingen Every attempt to employ mathematical methods in the study of chemical questions must be considered profoundly irrational. If mathematical analysis should ever hold a prominent place in chemistry an aberration which is happily impossible it would occasion a rapid and widespread degradation of that science. Auguste Comte, Cours de philosophie positive, 1830 The underlying physical laws necessary for the mathematical theory of a large part of physics and the whole of chemistry are thus completely known, and the difficulty is only that the exact application of these laws leads to equations much too complicated to be soluble. Paul Dirac, Quantum mechanics of many electron systems, 1929 Quantum chemistry is today used within all branches of chemistry and molecular physics. As well as producing quantitative information on molecules and their interactions, the theory also affords deeper understanding of molecular processes that cannot be obtained from experiments alone. The Royal Swedish Academy of Sciences, Press release: The 1998 Nobel Prize in Chemistry Kenneth Ruud (CTCC) CTCC Oslo, 17/1 2008 2 / 15
Centre for Theoretical and Computational Chemistry Advancing chemistry through computation Vision: The CTCC will be an internationally reknown contributor to the development and application of quantum-mechanical modeling in chemistry and materials science. De tre pilarer: Utvikling Anvendelse Utdanning Kenneth Ruud (CTCC) CTCC Oslo, 17/1 2008 3 / 15
De kjemiske byggesteiner De minste byggesteiner vi kan arbeide med under normale betingelser er atomer Atomer består av to fundamentale partikler: Elektroner og kjerner Elektronene har negativ ladning og en meget liten masse, mens kjernene har positiv ladning og en masse som er 2000-60000 ganger større enn elektronenes masse Kenneth Ruud (CTCC) CTCC Oslo, 17/1 2008 4 / 15
Kjemi: Molekyler Det finnes omlag 100 like grunnstoffer (atomer med ulik kjerneladning) Disse grunnstoffene kan danne en lang rekke stabile enheter som vi kaller molekyler Disse forbindelsene er stabile fordi elektronene mellom to atomer tiltrekkes av flere kjerner på en gang (kjemisk binding) H H Kenneth Ruud (CTCC) CTCC Oslo, 17/1 2008 5 / 15
Det kvantekjemiske hovedlikning: Den fysiske likning som beskriver elektronenes bevegelser er den elektroniske Schrödingerlikningen HΨ = EΨ Kenneth Ruud (CTCC) CTCC Oslo, 17/1 2008 6 / 15
Det kvantekjemiske hovedlikning: Den fysiske likning som beskriver elektronenes bevegelser er den elektroniske Schrödingerlikningen E er den molekylære energien HΨ = EΨ Kenneth Ruud (CTCC) CTCC Oslo, 17/1 2008 6 / 15
Det kvantekjemiske hovedlikning: Den fysiske likning som beskriver elektronenes bevegelser er den elektroniske Schrödingerlikningen E er den molekylære energien HΨ = EΨ H er her den elektroniske Hamiltonoperatoren H = e2 2 i e 2 2m e ik i Z K + e2 1 + V NUC R ik 2 r ij ij Kenneth Ruud (CTCC) CTCC Oslo, 17/1 2008 6 / 15
Det kvantekjemiske hovedlikning: Den fysiske likning som beskriver elektronenes bevegelser er den elektroniske Schrödingerlikningen E er den molekylære energien HΨ = EΨ H er her den elektroniske Hamiltonoperatoren H = e2 2 i e 2 2m e ik i Z K + e2 1 + V NUC R ik 2 r ij ij Bølgefunksjonen Ψ er en funksjon av 3N variabler (antall elektroner i molekylet) Kenneth Ruud (CTCC) CTCC Oslo, 17/1 2008 6 / 15
Et mer komplisert molekyl: Vann Et snapshot av vekselvirkningene i vannmolekylet (3 kjerner, 10 elektroner) O H H Kenneth Ruud (CTCC) CTCC Oslo, 17/1 2008 7 / 15
Utfordringene i kvantekjemi 1 Schrödinger-likningen er en meget komplisert mangepartikkel-likning Det eneste atom vi kan løse eksakt (ikke-relativistisk) er hydrogenatomet (et elektron og en kjerne) Selv for et lite organisk molekyl som kaffein finnes det 136 partikler (24 kjerner og 102 elektroner) Alle partikler vekselvirker med hverandre, og vi kan ikke gjøre noe mer enn å finne approksimative løsninger Kenneth Ruud (CTCC) CTCC Oslo, 17/1 2008 8 / 15
Utfordringene i kvantekjemi 2 Kjemikere er krevende kunder Kenneth Ruud (CTCC) CTCC Oslo, 17/1 2008 9 / 15
Utfordringene i kvantekjemi 2 Kjemikere er krevende kunder Energien til kaffein er omlag 1 800 000 kcal/mol. Energien i en kjemisk binding (som vi ønsker å beregne med en nøyaktighet på 1% ) er 300-400 kcal/mol, dvs. bindingsenergien er 0.02% av totalenergien Kenneth Ruud (CTCC) CTCC Oslo, 17/1 2008 9 / 15
Utfordringene i kvantekjemi 2 Kjemikere er krevende kunder Energien til kaffein er omlag 1 800 000 kcal/mol. Energien i en kjemisk binding (som vi ønsker å beregne med en nøyaktighet på 1% ) er 300-400 kcal/mol, dvs. bindingsenergien er 0.02% av totalenergien Vi forsøker dermed å bestemme vekten av kapteinen ved å veie båten med og uten kaptein (eller enda verre): Kenneth Ruud (CTCC) CTCC Oslo, 17/1 2008 9 / 15
CTCC sin plass i kjemi Chemical biology Bioinorganic chem. Organic and organometallic chemistry Theory and modelling Heterogeneous and homogeneous catalysis Materials science Solid-state systems Spectroscopy Atmospheric chem. Delt mellom UiT og UiO (Koordinert fra UiT) 5 seniorforskere fra UiO, 5 seniorforskere fra UiT, 2 affiliates (til nå) ved UiO. Kenneth Ruud (CTCC) CTCC Oslo, 17/1 2008 10 / 15
Status for implementering Kontraktsstart: 1.juli 2007 Søkere til 2.utlysningsrunde (felles utlysning) nå i ferd med å bli evaluert: CTCC så godt som fullt bemannet fra medio mai. Strategisk plan og handlingsplan vil vedtas på neste styremøte (26.februar) Gjenstår litt ombygging av nye lokaler Regelmessige forskermøter for hele senteret Web-sider (www.ctcc.no) på plass. Snart en grafisk web-profil på plass Styret er nå formelt oppnevnt? 10-dobling av regnekraft i Norge 2007/2008 et enormt løft for CTCC! Kenneth Ruud (CTCC) CTCC Oslo, 17/1 2008 11 / 15
Faglige forventninger CTCC ønsker å være et utadvendt senter Bidra til å heve større deler av norsk kjemisk forskning, ved å utvikle nå beregningsteknologi og fremme dets bruk i moderne kjemisk forskning Fremme kjennskapen til og potensialet som teoretiske metoder kan tilby Skape en tettere integrering mellom kjemisk forskning og andre evitenskaplige aktiviteter i Norge (evita/notur) Synliggjøre kjemi generelt og teoretisk kjemi spesielt i Norge Forskerskole? Kenneth Ruud (CTCC) CTCC Oslo, 17/1 2008 12 / 15
Utadvendte mål oppnås gjennom Tatt initiativ til beregningsbasert kjemi som en egen nasjonal faggruppe innen norsk kjemisk selskap Etablert en årlig forelesningsserie om internasjonal toppforskning innen beregningskjemi Etablert halvårlige kurs i bruk av moderne kvantekjemiske programvare tilgjengelig på nasjonalt nivå Ta et nasjonalt ansvar for effektiv utnyttelse av dyr einfrastruktur av kjemikere Åpent affiliate -program Ekstensivt gjesteforskerprogram på senior, postdoc, og PhD-nivå Kenneth Ruud (CTCC) CTCC Oslo, 17/1 2008 13 / 15
Utfordringer Meget lav norsk rekruttering Meget svak PhD søkning (men fabelaktig søkning postdoc/forsker) Likestilling Kenneth Ruud (CTCC) CTCC Oslo, 17/1 2008 14 / 15
CTCC 10 år ra nå: personlige syn per idag Finansiering fra NFR må forventes avsluttet CTCC som merkenavn kan forhåpentligvis videreføres CTCC vil bidratt til å sikre god erstatning av personale som har gått av i senterperioden Transfer-of-knowledge funksjonen til CTCC forhåpentligvis ikke lenger påkrevet Spesielt viktig: Videreføring av gjesteforskerprogrammet Vi må være konkurransedyktig på egen hånd om eksterne midler for videreføring av de mest suksessrike delprosjektene i CTCC Kenneth Ruud (CTCC) CTCC Oslo, 17/1 2008 15 / 15