Fysikk og Fascinasjon

en blogg om ny og gammel forskning, og om den fantastiske naturen


4 kommentarer

Nobelprisen i kjemi

Det er fysikken som er sjefen blant vitenskapene, men jeg må innrømme at det var Nobelprisen i kjemi jeg likte best i år.

Kjemi: hvorfor og hvordan

Teorien om Higgs-bosonet, som førte til prisen i fysikk, dreier seg om å finne svaret på hvorfor vi har kjemi. Dette dreier seg om de mest grunnleggende spørsmålene vi kan stille oss, om hva universet består av, men har egentlig ingen umiddelbar praktisk betydning.

Prisen i kjemi blir gitt til tre menn (som vanlig) som har utviklet en viktig metode for å forstå hvordan kjemien fungerer.

At kjemiske reaksjoner skjer, er opplagt. Reaksjoner er molekyler som deler seg eller kobler seg sammen. Kjemiske reaksjoner gjør at kroppene våre fungerer, og at det skjer ting her på planeten vår, rett og slett.

Å se at en reaksjon har skjedd, er en ting. Noe ganske annet er det å forstå hvordan den skjedde. Det finnes ingen kamearaer som kan filme hvordan atomer oppfører seg. Man kan finne ut en del ved å bruke avanserte eksperimentelle metoder, men ikke på langt nær alt.

Det vi imidlertid vet, er hvilke regler som gjelder for atomer og for elektronene og atomkjernene som atomene består av. Dette er fysikk.

Dette bildet har jeg lånt fra Camilla Kirkemo, stipendiat ved Fysisk Institutt, som er ekspert på molekylærdynamikk - biljardkulemodeller av atomer. Bildet viser atomstrukturen i nanoporøst glass. Det er laget i Camilla sin datamaskin ved først å stille silisiumatomer (gule) og oksygenatomer (lilla) pent inntil hverandre i en krystall, la alle atomene bevege seg fortere og fortere til krystallen smelter, strekke den smeltede krystallen til det oppstår små bobler i den, og så kjøle det raskt ned - voila, et glass (fast stoff der atomene sitter hulter til bulter) med små nanohull. Glasset kan nå fylles med vann (her representert ved røde oksygener og hvite hydrogener) for å se hvordan vann oppfører seg når det har så liten plass å bevege seg på.

Dette bildet har jeg lånt fra Camilla Kirkemo, stipendiat ved Fysisk Institutt, som er ekspert på molekylærdynamikk – biljardkulemodeller av atomer. Bildet viser atomstrukturen i nanoporøst glass. Det er laget i Camilla sin datamaskin ved først å stille silisiumatomer (gule) og oksygenatomer (lilla) pent inntil hverandre i en krystall, la alle atomene bevege seg fortere og fortere til krystallen smelter, strekke den smeltede krystallen til det oppstår små bobler i den, og så kjøle det raskt ned – voila, et glass (fast stoff der atomene sitter hulter til bulter) med små nanohull. Glasset kan nå fylles med vann (her representert ved røde oksygener og hvite hydrogener) for å se hvordan vann oppfører seg når det har så liten plass å bevege seg på.

Simultan-biljard med tusenvis av kuler

Atomer kan man tenke på som en gjeng med litt avanserte biljardkuler. I likhet med biljardkulene har de en veldefinert masse, og til ethvert tidspunkt beveger de seg (selv atomene i en kloss som ligger helt i ro er i bevegelse, hele tiden) i en bestemt retning og med en bestemt hastighet. I motsetning til biljardkulene virker det ikke bare krefter mellom atomene når de treffer hverandre, men også når de er et stykke fra hverandre.

Et atom som beveger seg mot et annet atom vil begynne å «føle» det andre atomet når de kommer i nærheten av hverandre. Først vil de bli trukket mot hverandre, med en sterkere og sterkere kraft. Så, når de er nesten inntil hverandre, ombestemmer de seg og begynner å dytte. Akkurat der hvor trekkingen går over til dytting vil atomene sitte glade og fornøyde ved siden av hverandre.

Om du bare vet hvor atomene dine er, hvor fort de beveger seg og i hvilken retning, og nøyaktig hvordan de vil trekke og dytte på hverandre når de møtes, kan du beregne alt om hvordan et stoff vil oppføre seg. Du kan tegne opp alle atomene i et fast stoff i datamaskinen din, få atomene til å bevege seg fortere og fortere (det er det som skjer når noe blir varmere) til stoffet smelter, dytte det sammen, strekke på det, kjøle det ned så det stivner igjen – så lenge du har en stor nok datamaskin, selvfølgelig. Antall ligninger som datamaskinen må løse blir enom når du har flere hundre tusen, for ikke å snakke om millioner av partikler som bryr seg om hverandre. Men det er allikevel mye man kan finne ut om oppførselen til forskjellige materialer på denne måten.

Elektronenes forunderlige verden

Dessverre er det ikke alltid nok å tenke på atomene som kuler. Et atom består av en kjerne med ett eller flere elektroner svirrende rundt. Når to atomer er i nærheten av hverandre, vil de elektronene som befinner seg ytterst i hvert atom flytte litt på seg. Det er dette som gir opphav til kreftene som virker mellom atomer. Kreftene man putter inn i biljardkule-modellen jeg beskrev over er man derfor nødt til å finne ved å tenke på elektronene og atomkjernene hver for seg. Elektroner og kjerner forholder seg ikke til hverandre som biljardkuler: de følger noen sære og lite intuitive regler som beskrives ved hjelp av det som kalles kvantemekanikk.

Fordelen her er at reglene man må følge er forholdsvis enkle. Ulempen er at det er så mange partikler og regler å holde styr på at det  er vanskelig å beregne noe som kan være matnyttig, nesten uansett hvor stor datamaskin man har.

Man kommer lengre ved å være effektiv

Det er her de tre prisvinnerne har kommet med viktige bidrag. De har utviklet dataverktøy der man kan studere kompliserte kjemiske reaksjoner ved å bruke detaljene bare der de virkelig trengs.

I den delen av molekylet der reaksjonen skjer, tar man med reglene som gjelder for elektronene for å finne ut nøyaktig hvordan de oppfører seg. Lengre borte gjør ikke atomene så mye annet enn å bevege seg litt i forhold til hverandre. Da er det nok å se på dem som kuler, og man trenger ikke beregne hvordan de forskjellige atomene oppfører seg mot hverandre mer enn en gang. Enda lengre bort kan man glemme at atomer er atomer, og bare ta med i beregningen at man befinner seg i ett bestemt materiale.

Nå for tiden brukes denne typen beregningsverktøy like mye som faktiske eksperimenter på kjemilabben. Ved å ta med detaljer bare der de virkelig trengs, kan man bruke den datakraften man har til rådighet til å studere store systemer og lære om hvordan reaksjoner foregår i naturen. Som man igjen kan bruke til å designe materialer der det skjer reaksjoner akkurat slik man vil ha dem. Fange energien fra sola på mer effektive måter, for eksempel.

Det gir ikke svaret på det store HVORFOR, som Higgs, men metoden kan brukes til å finne svar på mange av de ustyrtelig viktige hvordan.

Advertisements


2 kommentarer

Hvorfor kan man ikke brenne vann?

Hydrogen brenner jo, og man trenger oksygen for å brenne noe. Så hvorfor kan man ikke brenne vann?

20130623-140324.jpgSosiale atomer

For de aller fleste atomer er det fullstendig uutholdelig å være helt alene.

Derfor binder de seg sammen og danner forskjellige stoffer. Vann, for eksempel, består av molekyler der to hydrogenatomer og ett oksygenatom har klumpet seg sammen. Flesteparten av molekylene i lufta vi puster er dannet av to nitrogenatomer eller to oksygenatomer.

Atomene er altså nødt til å være sammen med noen, og ofte må de nøye seg med første og beste mulighet. Men om de kunne få velge, så liker de noen grupperinger fremfor andre.

Hydrogengass består av molekyler med to hydrogenatomer i hver, på samme måte som oksygengass. Om vi blander sammen disse to gassene, får vi en gass med to forskjellige typer gassmolekyler. Alle atomene her har det greit nok, men de kunne hatt det mye bedre. Hadde de bare greid å rive seg fra hverandre ett lite øyeblikk, sånn at to hydrogenatomer kunne ha grepet fatt i ett oksygenatom og dannet vann, så hadde de fått slappet mye mer av.

Dørstokkmila

Tenk deg at du er et søvnig hydrogenatom. Da vil tilværelsen som hydrogenmolekyl være sofaen, og vannmolekylet være senga. Problemet er at det er så vanskelig å komme seg opp fra sofaen.

Det er her vi trenger en fyrstikk. Brenner jeg deg på tåa så skal jeg tenke meg du kommer deg opp fra sofaen. På samme måte er vi nødt til å tilføre litt ekstra energi for å få slitt i stykker gassmolekylene og danne vann.

Når atomene omsider har kommet seg over i den behagelige vanntilstanden, kan de slenge fra seg det ekstra ubehaget de hadde som gassmolekyler. Denne irritasjonsenergien er stor nok til å rive fra hverandre flere gassmolekyler. På denne måten blir mer og mer oksygengass og hydrogengass omgjort til vann. Noe av energien som blir frigjort kan vi også kjenne som varme.

Hva som skjer når noe brenner

Det jeg har beskrevet over, er i korte trekk hva som foregår når noe brenner: Ett stoff reagerer med et annet stoff, stort sett oksygen, og danner et tredje stoff mens det frigjøres energi.

Så hvorfor brenner ikke vann?

Vannet har allerede brent. Vannet er asken etter en hydrogenbrann. Atomene i vannmolekylene har det så hyggelig at de kan nesten ikke få det bedre. Det er ingenting å hente på å la dem bli til noe annet.