Morgunblaðið - 06.12.1998, Blaðsíða 24

24 SUNNUDAGUR 6. DESEMBER 1998
MORGUNBLAÐIÐ
rayndað einhvers konar skammta-
vökva þar sem rafeindirnar fundu
sterklega fyi’ir tilvist hver annarrar
og hegðuðu sér frekar sem ein heild
en stakar agnir. Sambærileg hegðun
var þekkt í kerfum bóseinda og er
meðal annars orsök ofurleiðni í ofur-
leiðandi efnum og ofurflæðis í fljót-
andi helíni. I báðum þessum tilfell-
um tókst, á löngum tíma og með
mikilli vinnu, að setja saman fræði-
lega mynd af fyrirbærunum. Það
kom því mjög á óvart að aðeins
rúmu ári síðar hafði Bandaríkjamað-
urinn Robert B. Laughlin með ótrú-
legu innsæi sett saman fræðilega
lýsingu á tvívíðum rafeindum í
sterku segulsviði sem skýrði hin
nýfundnu brotaskammtahrif.
Bylgjiifall Laughlins
Jafna Laughlins lýsir rafeindun-
um með flóknu skammtafræðilegu
fjöleindabylgjufalli. Skýring Laug-
hlins gerir meðal annars ráð fyrir
því að rafeindirnar víxlverki við seg-
ulflæðisskammta, t.d. á þann hátt að
ein rafeind bindist þremur segul-
flæðisskömmtum og myndi samsetta
eind sem hegðar sér eins og bóseind ■
frekar en fermíeind. A þennan hátt
geta rafeindirnar myndað skammta-
vökva eins og áðurnefnd bóseinda-
kerfí. Sökum þess að rafeindavök-
vinn myndar eina heild geta mynd-
ast í honum svokölluð agnarígildi,
fyrii-bæri sem líkjast venjulegum
ögnum en hlita ekki sömu efnisvarð-
veislulögmálum og geta birst eða
horfið fyrirvaralaust. Agnarígildin
geta haft hleðslu sem jafngildir broti
af hleðslu einnar rafeindai- og með
þeim gríðarlegu framförum sem
orðið hafa í framleiðslu örrása hefur
nýlega tekist að sanna tilvist þeirra
beint með ofurnæmum straummæl-
ingum.
Heiltöluskammtahrif og brota-
skammtahrif Halls voru uppgötvuð í
sambærilegum efnum með sambæri-
legum aðferðum. Hins vegar liggur
svo ólík eðlisfræði að baki að þrátt
fyrir að von Klitzing hafí hlotið
Nóbelsverðlaunin á sínum tíma þá
þótti einnig ástæða til að verðlauna
Laughlin, Störmer og Tsui fyrir
uppgötvun sína. Þeir þremenningar
hljóta þvi Nóbelsverðlaunin í eðlis-
fræði 1998 fyrir uppgötvun nýrrar
tegundar rafeindaskammtavökva
sem inniheldur agnarígildi með brot
af hleðslu stakra rafeinda. Uppgötv-
un brotaskammtahrifa Halls hefur
fært okkur eitt skref áfram í tilraun
okkar til að skilja eðli þess heims
sem við lifum í og þeirra náttúrulög-
mála sem í honum ríkja og um leið
gefið okkur nýjar aðferðir til að
beisla þessi lögmál til gagns fyrir
mannkynið.
Hálfleiðararann-
sóknir á Islandi
Síðasta áratug hafa eðlisfræði-
rannsóknir á hálfleiðurum verið
stundaðar við Raunvísindastofnun
Háskólans undir stjórn Hafliða P.
Gíslasonar prófessors. Er þar um að
ræða bæði tilraunir og kennilegar
rannsóknir á raf- og ljóseiginleikum
hálfleiðara og hálfleiðarakerfa. Hluti
þessara rannsókna hefur verið gerð-
ur í samvinnu við aðrar rannsókna-
stofnanir á Norðurlöndum, Þýska-
landi, Frakklandi, Bandaríkjunum,
Japan og víðar. Nýlega var sett upp
á Raunvísindastofnun tækjasam-
stæða til framleiðslu á hálfleiðurum
sem m.a. má nota til að búa til tvívíð
rafeindakerfi svipuð þeim sem rætt
hefur verið um að ofan. Viðar Guð-
mundsson prófessor hefur stundað
kennilegar rannsóknir á rafeindum í
einni og tveimur víddum og m.a.
unnið með fyrrnefndum Klaus von
Klitzing. Utreikningar hafa einnig
verið gerðir á hegðun rafeinda í núll-
víðum hálfleiðarakerfum, svokölluð-
um skammtapunktum, þar sem
hreyfing rafeindanna í öllum þremur
víddum er takmörkuð við nokkra
nanómetra. A síðustu árum hefur
áhugi á slíkum rafeindakerfum auk-
ist til muna þar sem talið er að þau
geti nýst í rafeindatækni framtíðar-
innar, sérstaklega í samskiptatækni
og jafnvel í nýjum kynslóðum of-
urtölva. Raunvísindadeild Háskóla
Islands hefur frá árinu 1990 útskrif-
að meistaranema í hálfleiðaraeðlis-
fræði og fyrstu doktorsnemar á
þessu sviði munu hefja nám við
deildina á komandi ári.
Höfundur cr doktorsnemi
í nanótækni.
m
ETTA árið komu Nóbels-
verðlaunin á sviði efna-
fræði í hlut prófessoranna
Walter Kohns og John A.
Poples fyrir „að hafa haft
forustu um þróun kennilegra aðferða
til að rannsaka eiginleika sameinda
og efnahvarfa þeirra“, eins og segir í
tilkynningu frá sænsku vísindaaka-
demíunni frá því í október síðastliðn-
um. Nánar segir að Walter Kohn séu
veitt verðlaunin fyrir þróun kenning-
arinnar um orku háða þéttleikafalli
rafeinda („density functional theory"
/ DFT) og John Pople fyrh' þróun
tölvuútreikninga á sviði skammta-
efnafræði („computational methods
in quantum chemistry“).
Walter Kohn og John A. Pople
Walter Kohn fæddist í Vínarborg í
Austurríki árið 1923. Hann var pró-
fessor við Camegie stofnunina í
Pittsburgh í Bandaríkjunum á árun-
um milli 1950 og 1960 og við Kali-
forníuháskólann í San Diego frá 1960
til 1979. Hann veitti kennilegu eðlis-
fræðistofnuninni við Kaliforníu-
háskólann í Santa Barbara forstöðu
á árunum 1979 til 1984 og hefir
starfað þar síðan.
John A. Pople fæddist í Burnham-
on-Sea í Somerset í Englandi árið
1925. Hann lauk doktorsprófi í
stærðfræði frá Cambridge háskóla
árið 1951 og tók við prófessorsstöðu í
efnaeðlisfræði við Carnegie-Mellon
háskóla í Pittsburgh í Bandaríkjun-
um árið 1964. Árið 1986 varð hann
prófessor í efnafræði við Nort-
hwestem háskóla, Illinois í Band-
aríkjunum, þar sem hann hefir
starfað síðan.
Lykillinn að því að geta nýtt sér
eiginleika efna og efnablandna í
margvíslegum tilgangi (t.d. í efna-
iðnaði eða lyfjagerð), á sem skil-
virkastan hátt, er að geta skilið til
fullnustu hvað veldur viðkomandi
eiginleikum. Eiginleikar efna ráðast
af gerð grunneininga efnisins, sam-
eindunum. Því beinast grunn-
rannsóknir á sviði efnafræði m.a. að
öflun upplýsinga um samsetningu og
lögun sameinda sem og umbreytingu
þeirra við efnahvörf ýmiss konar.
Meginaðferðafræði slíkrar rann-
sóknarvinnu felst í samanburði á
mæliniðurstöðum af ýmsu tagi við
fræðileg líkön og kenningar yfir
sameindir. Það er einmitt þróun
sh'kra kenninga og beiting þeirra
sem er að hljóta verðskuldaða viður-
kenningu með veitingu Nóbelsverð-
launanna í efnafræði þetta árið.
Sameindir efnisins eru samsettar
úr frumeindum (atómum), sem aftur
eru myndaðar úr neikvætt hlöðnum
rafeindum sem umlykja jákvætt
hlaðna frumeindakjarna. í reynd má
líta á sameind sem fjölbreytilegt
kerfi frumeindakjama með rafeind-
um á sveimi umhverfís þá. Nánar til-
tekið, í ljósi kenninga skammta-
fræðinnar, er raunhæft að hugsa sér
sameind sem samsafn atómkjama
sem umlykjast „rafeindaskýi" fremur
en neikvætt hlöðnum ögnum á braut-
um. Með „rafeindaskýi" er átt við lík-
indi þess að finna rafeindir á tiltekn-
um stöðum umhverfis kjamana, þar
sem „þykkt skýsins" á hveijum stað
er mælikvarði á líkindin. Gmndvall-
arkenningai- skammtafræðinnar sem
búa að baki þessari viðurkenndu
mynd af sameindum var þróuð fyrir
meira en 70 ámm. Samkvæmt þeim
kenningum átti í reynd að vera unnt
að skilja og ákvarða lögun allra sam-
einda. Þetta reyndist þó hægai-a sagt
en gert, eins og orð Diracs, eins
fmmkvöðuls þessara kenninga, bera
vitni um. Árið 1929 lét hann þessi orð
falla: „Grundvallarlögmál þau sem
þarf til að meðhöndla flest eðlisfræði-
leg fyrirbæri og alla efnafræði
stærðfræðilega er til staðar. Vanda-
málið er einungis það að beiting
þeirra leiðir til stærðfræðihkinga
sem em of flóknar til að unnt sé að
leysa þær“. Það var ekki fyrr en um
og upp úr 1960 að nokkuð fór að rofa
til, en um það leyti fór tölvukostur að
eflast vemlega og kenning Walter
Kohns um „orku háða þéttleikafalli
rafeinda" leit dagsins ljós.
Rafeindaský og Gaussian 70
Galdm-inn við að finna lögun sam-
einda felst í að ákvarða hvaða inn-
NÓBELSVERÐLAUNIN í EFNAFRÆÐI 1998
Kenninga-
smiðir
sameinda-
rannsókna
Að hefðbundnum hætti verða Nóbels-
verðlaunin á hinum ýmsu fagsviðum
veitt 10. desember næstkomandi
í Stokkhólmi. Agiist Kvaran segir hér
frá verðlaunahöfunum í efnafræði.
FREON-sameindin CF2C12
(til vinstri) og óson-
sameindin (03) (til hægri)
byrðis afstaða frumeindakjama og
„rafeindaskýsins“ er orkulægst. Til
þess þarf að byrja á einhverri upp-
hafstilgátu um lögunina og reikna út
heildarorkuna sem felst í kröftum
þeim sem ríkja milli frameinda-
kjamanna og rafeindanna. Því næst
þarf að breyta afstöðunni á kerfis-
bundinn hátt og endurtaka reikning-
ana uns orkulægsta gildi næst. Af-
staða frumeindakjarna og lögun raf-
eindaskýsins sem þannig fæst lýsir
sameindinni. Slíkir reikningar em
mjög viðamiklir og nær óframkvæm-
anlegir án hraðvirkra og öflugi-a
tölva og ef ekki er unnt að einfalda
þær stærðfræðilíkingar sem að baki
reikningunum liggja. Framlag Walt-
er Kohns til þróunar þessara líkan-
reikninga snerti einmitt hið síðast-
nefnda. Árið 1964 sýndi Walter
Kohn ásamt Pierre Hohenberg við
Yale háskóla fram á að til að ákvarða
orku efnis þyrfti einungis að vita
hvert væri „rafeindaþykknið" á
hverjum stað í „rafeindaskýi" þess
fremur en að taka tillit til allra raf-
einda og innbyrðis kraftverkana
þeirra allt um kring eins og gert
hafði verið fram að því. Ári síðar
greindi Kohn, ásamt Lu Sham við
Kalifomíuháskólann í San Diego, frá
VERÐLAUNAHAFARNIR
Walter Kohn (t.v.) og John Pople.
aðferð til að ákvarða rafeindaþétt-
leika og tilsvarandi orku, sem var
margfalt viðráðanlegri en þær að-
ferðir sem áður höfðu verið notaðar.
„Kenningin um orku háða þéttleika-
falli rafeinda“ (DFT) hafði litið dags-
ins ljós. Aðferð Kohns og Shams
reyndist þó ekki nægilega nákvæm
til að unnt væri að beita henni við
ákvarðanir á lögun sameinda og var
hún aðallega nýtt á sviði þéttefnis-
fræði, þar sem unnt var að beita
henni við ákvörðun á rafeindadreif-
ingu í fóstum efnum. Það var ekki
fyrr en í upphafi þessa áratugar, í
kjölfai- frekari þróunar á kenning-
unni / aðferðinni, að unnt var að nýta
hana til að ákvarða lögun sameinda
með viðunandi nákvæmni. Þar
munaði hvað mest um framlag John
Poples. Samfara eflingu tölvutækn-
innar upp úr 1960 hóf John Pople
frumkvöðulsstarf við þróun tölvuút-
reikninga í skammtaefnafræði með
það að leiðarljósi að geta ákvarðað
lögun sameinda, styrk tengja milli
fmmeinda í sameindum sem og gang
efnahvarfa. í lok sjöunda áratugar-
ins í kjölfar mikilvægra framfara á
sviði tölvunarfræða hannaði Pople
foiritið GAUSSIAN-70 í þessum til-
gangi.
GAUSSIAN-70 hafði verulegt for-
skot fi’am yfii- annan hugbúnað sem
ætlaður var í svipuðum tilgangi á
þeim tíma. Á árunum frá 1970 fram
yfir 1990 vann hann við þróun þessa
forrits og gaf út fjölmargar
betrumbættar útgáfm- sem urðu
stöðugt úbreiddari meðal kennilegra
efnafræðinga víða um heim. Arið
1992 varð bylting í þróun þessa hug-
búnaðar við það að Pople innleiddi
notkun betrumbættu kenningarinn-
ar um orku háða þéttleikafalli raf-
einda í sameindum. Síðan hefir hug-
búnaður þessi, í ört vaxandi mæli,
færst í hendur tilrauna-efnafræðinga
jafnt sem kennilegra efnafræðinga
og ýmist nýst til að túlka og skilja
tilraunaniðurstöður eða virkað
leiðbeinandi við ákvarðanir um
rannsóknir og þróunarvinnu á
fjölmörgum sviðum efnafi-æði.
Rannsóknir innan
Háskóla Islands
Þess má geta að við raunvísinda-
deild Háskólans hafa nú um nokkurt
skeið verið stundaðar rannsóknir,
þar sem ofangreindum aðferðum
hefir verið beitt. Undir forystu dr.
Ingvars Ámasonar, dósents, hafa
eiginleikar ýmissa ólífrænna efna
verið kannaðir með litrófsmælingum
og samanburði við reiknilíkön fyrii-
viðkomandi sameindir.
Sem dæmi um notkunarmöguleika
ofangreindra aðferða og kenninga
má nefna að unnt er að ákvarða lög-
un amínósýra á borð við þá sem sýnd
er hér að ofan (mynd 1), en
amínósýrur em grunneiningar
próteina. Þar eð slíkar upplýsingar
fela í sér ákvörðun á rafeindaskipan
sameindarinnar er unnt að segja til
um áhrif þess að slík sameind nálg-
ast aðra sameind, þ.e. hvaða og
hvernig efnabreytingar í kjölfar
sammna sameindanna geta átt sér
stað. Upplýsingar af þessu tagi geta
nýst til að rannsaka virkni lífhvata,
en það era próteinsameindir sem
gegna lykilhlutverki við niðurbrot
eða uppbyggingu efna í lífverum.
Þannig geta þessar uppgötvanir
gagnast á sviði lyfja- og líf-efna-
fræði, svo nokkuð sé nefnt.
Annað notkunardæmi: Eyðing
ósonlagsins í háloftunum af völdum
freonefna sem notuð eru í iðnaði hef-
ir mikið verið til umræðu og athug-
unar á undanförnum ái-um. Um er að
ræða efnahvörf sameinda sem inni-
halda klórfrumeindir á borð við þá
sem sýnd er á mynd 2 (CF2C12) og
ósons, sem er sameind mynduð úr
þremur súrefnisfrumeindum (03).
Ofangreindar aðferðii' hafa verið
notaðar til að kanna hvaða efnahvörf
geta átt sér stað við árekstur slíkra
sameinda.
Þannig geta þessi fræði stuðlað að
skilningi á ýmsum óæskilegum efna-
hvörfum sem geta haft skaðleg áhrif í
andrúmsloftinu og hjálpað til við
ákvarðanatöku um viðeigandi
ráðstafanir. Ofangreind dæmi em í
hópi fjölmargra annarra á sviði efna-
fræði þar sem kenningar og aðferðir
Nóbelsverðlaunahafanna Walter
Kohns og John A. Poples hafa komið
við sögu. Samfara öram framfómm í
tölvutækni m.t.t. aukinnar hraðvirkni
í reikniaðgerðum hvers konar og
stækkandi minnisrýmis tölva aukast
möguleikamir á að fást við stærri og
stærri kerfi á borð við líffræðilega
virkar sameindir. Eins og svo oft áð-
ur era aðferðir og kenningar sem
gjaman byrja í höndum fámenns
hóps sérhæfðra fræðimanna, sem
leggja stund á gmnnrannsóknir inn-
an veggja háskóla, að verða að öflugu
tæki til framþróunar sem vonandi
reynist mannkyninu til heilla.
Höfundur er prófessor í eðlisefna-
fræði við Háskóla íslands