Computing in Science Education Beregninger i utdanning og forskning ved Kjemisk institutt Metoder i teoretisk kjemi og beregningsorientert kjemi Kvantekjemiske beregninger i moderne kjemisk forskning Trygve Helgaker Centre for Theoretical and Computational Chemistry Kjemisk institutt, Universitetet i Oslo
Kjemi og matematikk We are perhaps not far removed from the time when we shall be able to submit the bulk of chemical phenomena to calculation. Joseph Louis Gay-Lussac, Memoires de la Societe d Arcueil (1808) Every attempt to employ mathematical methods in the study of chemical questions must be considered profoundly irrational and contrary to the spirit of chemistry. f mathematical analysis should ever hold a prominent place in chemistry an aberration which is almost impossible it would occasion a rapid degeneration of that science. Auguste Compte, Philosophie Positive (1830)
Kjemi er komplisert
Men dypest se* et mangepar/kkelproblem Molekyler er enkle - ladete par/kler i bevegelse - styrt av kvantemekanikkens lover HΨ=EΨ men, det er et mangepar/kkelproblem The underlying physical laws necessary for the mathema/cal treatment of a large part of physics and the whole of chemistry are thus completely known and the difficult is only that the exact applica/on of these laws leads to equa/ons that are too complicated to be soluble Dirac (1927)
Enorm økning i datakrao Uventet hjelp
Kvantekjemi og beregningskjemi kvantekjemien foretar vi kvantemekaniske simuleringer av kjemiske systemer Schrödinger-ligningen løses for molekyler og fast stoffer Mer generelt studeres kjemiske systemer med multiskalametoder ulike metoder benyttes for ulike oppløsning i rom og tid
Eksempel: kartlegging av reaksjonsveier
Eksempel: NMR- spektra 200 MHz NMR spectrum of vinyllithium
Vi er blitt tallknusere 40% av artiklene i Journal of American Chemical Society benytter beregninger Kjemikere er de største brukere av NOTURs tungregneressurser Centre for Computational and Theoretical Chemistry
Numeriske simuleringer: den tredje veien Numeriske simuleringer: the third way Numeriske simuleringer er blitt meget vanlige i moderne forskning Tradisjonelt tenker vi oss at vitenskap bygger pa eksperimenter og teori værmelding, klimamodellering, digitale vindtunneler, reservoarsimuleringer slike beregninger har ofte stor økonomisk betydning simuleringer gir en ny type innsikt: den tredje vei Kvantekjemiske beregninger brukes i mange ulike sammenhenger eksperimenter kan være kostbare eller umulige a gjennomføre eksperimenter kan være vanskelige a tolke beregninger kan erstatte eller supplere eksperimentelle ma linger Trygve Helgaker (Kjemisk institutt, UiO) Kvantekjemi Nydalen vgs 21. mars 2013 14 / 25
llustrasjon: magnetisk binding Ny programvare LONDON utviklet for beregninger i magnetfelt muliggjorde de første nøyaktige beregninger av molekyler i vilkårlige feltorienteringer beregninger på H 2 avslørte en ny kjemisk binding som hadde en enkel forklaring verken kovalent eller ionisk oppstår ved gunstig rotasjon av elektronene i feltet gir bindinger med null bindingsorden Paramagnetisk binding virker kun i meget sterke felt (10 5 T) slike forhold eksisterer i atmosfæren av visse hvite dverger A B N S Stronger against the field. A schematic illustration of (A) a rotating diatomic molecule in field-free space and (B) the parallel and orthogonal configuration of the molecule in the presence of a high magnetic field. Lange et al. show that the bond strength increases for the perpendicular case through paramagnetic interactions.
Boulevardpressen
Teoretisk kjemi Forskningsfelt: utvikling og anvendelse av kvantekjemiske modeller og metoder for å beskrive (nye) kjemiske systemer og prosesser store molekyler (lineær skalering), elektronkorrelasjon, fundamental tetthetsfunksjonalteori, relativistiske metoder og effekter, molekylegenskaper og spektroskopiske prosesser Hensikt: å gjøre simuleringer til et redskap som gir en minst like pålitelig beskrivelse av kjemiske systemer som eksperimentelle målinger å utvikle kvantekjemiske metoder som gir ny innsikt i elektronstruktur og dermed muliggjør studier av nye molekylære fenomener og effekter -0.5 0.0 0.5 0.00-0.05 Verktøy: Kvantekjemiprogrammet DALTON, utviklet i vår gruppe -1.0-0.5 0.0 0.5 1.0-0.10
Masteroppgaver: store molekyler Utvikling av kvantekjemiske metoder utvikling av nye metoder og implementering av disse i programmer kjemi, fysikk, matema/kk, programmering Metoder for store molekyler for 30 år siden kunne vi regne på noen få atomer i dag, mange hundre molekyler av biologisk interesse består ooe av mange tusen atomer
Computing in Chemistry Education Kvantekjemi og molekylmekanikk er et nytt verktøy kjemien Stiller store krav til kunnskaper i fysikk, matematikk og databehandling Beregninger benyttes mer generelt i alle deler av kjemien Avansert behandling av eksperimentelle data Studentenes forkunnskaper er ofte sprikende og ofte svake Få av våre studenter har den nødvendige bakgrunn og interesse for teoretisk kjemi Et grunnleggende kurs i løpet av det første året Bruk av simuleringer i løpet av det andre året Særlig viktig i fysikalsk og teoretisk kjemi