Kwantumchemie

De toepassing van de kwantummechanica in de chemie noemt men kwantumchemie. In de kwantumchemie bestudeert men de elektronische structuur van de materie, gaande van atomen tot moleculen en kristallen. Hierbij wordt de structuur van deze stoffen beschreven op basis van golfpatronen, gebruik makend van diepgaande wiskundige analyse en computerprogramma’s.

De fundamentele postulaten van de kwantummechanica stellen dat microscopische systemen beschreven worden door mathematische objecten die men golffuncties noemt, welke alle fysische en chemische eigenschappen van het systeem bepalen. Alle informatie van het bestudeerde systeem volgt uit de oplossing van de Schrödingervergelijking, de golffunctie. Spijtig genoeg is deze vergelijking enkel exact oplosbaar voor één-elektron systemen, zoals het waterstofatoom. Vermits chemici echter geïnteresseerd zijn in systemen met verschillende elektronen is het noodzakelijk om benaderingen in te voeren om toch de golffunctie en de energie van systemen met meer dan één elektron te kunnen bekomen.

In de laatste eeuw werden een groot aantal benaderende kwantumchemische methoden ontwikkeld die het modelleren van grote chemische systemen toelaten. De ontwikkeling van deze methoden en hun toepassing bij de oplossing van concrete chemische problemen heeft aanleiding gegeven tot het ontstaan van een nieuwe interdisciplinaire tak van de chemie, de zogenaamde “theoretische en computationele chemie”.

Welke voorspellingen kunnen nu gemaakt worden door een computationeel chemicus? Vandaag de dag kunnen computationele studies het al dan niet bestaan voorspellen van moleculen die tot hiertoe onbekend zijn of kunnen reactiemechanismen onderzocht worden die niet toegankelijk zijn via experimentele methoden. In de geneesmiddelenindustrie wordt het computationeel ontwerp van moleculen met specifieke eigenschappen steeds belangrijker. Tevens laat de computationele chemie toe moleculen te bestuderen die te onstabiel zijn om experimenteel te onderzoeken, verkeerde experimentele toekenningen te corrigeren en grootheden (zoals bv. atomaire ladingen) die niet experimenteel observeerbaar zijn te berekenen.

Er zijn inderdaad berekenbare grootheden die niet overeenkomen met fysische observabelen.  Voorbeelden hiervan zijn aromaticiteit en partiële atomaire ladingen die bekomen worden uit conceptuele modellen maar die zeer belangrijk zijn in het begrijpen van het gedrag van chemische systemen.  Dit is het centrale onderzoeksthema van de Onderzoeksgroep Algemene Chemie (ALGC) van de VUB. De ALGC groep is sterk interdisciplinair en is samengesteld uit chemici, fysici, ingenieurs en biologen die rond verschillende onderzoeksonderwerpen werken. Toepassingen worden uitgevoerd in de organische en anorganische chemie, katalyse, biochemie en de chemie van nanomaterialen.

Mijn onderzoek spitst zich specifiek toe op de toepassing van kwantum theoretische methoden om inzicht te verkrijgen in de structuur, reactiviteit en eigenschappen van organische en organometaalverbindingen, vaak in nauwe samenwerking met experimentele groepen. Ik heb modellen ontworpen die de toxiciteit van organische polluenten kunnen verklaren en die inzicht kunnen verschaffen in de biologische activiteit van organische moleculen t.o.v. calpain, een enzym betrokken in neurodegeneratieve ziekten.

Vandaag focust mijn onderzoek zich voornamelijk op de ontwikkeling, gebruik makend van een conceptuele en computationele aanpak, van moleculaire schakelaars voor technologische toepassingen. Het hedendaagse onderzoek in dit gebied heeft als doel een klein aantal actieve moleculen in een elektronisch circuit onder te brengen wat aanleiding kan geven tot geschikte elektronische componenten zoals diodes, transistors en schakelaars. Een moleculaire schakelaar is een machine op de nanometer schaal die omkeerbaar tussen twee of meerdere toestanden met verschillende eigenschappen kan overgaan op basis van een externe stimulans zoals licht, elektriciteit of een chemische reactie. Moleculaire schakelaars werken op precies dezelfde manier als de schakelaars die we dagelijks gebruiken om elektrische toestellen aan en uit te schakelen en een computer zou natuurlijk niet kunnen werken zonder.

Buckminsterfullereen is net zoals koolstof en diamant een allotroop van koolstof die opgebouwd is uit moleculen van 60 koolstofatomen, die zijn gerangschikt in de vorm van een afgeknotte icosaëder, gelijkend op een voetbal. Informeel spreekt men daarom van een buckybal of buckyball. De molecule is genoemd  naar de Amerikaanse architect Richard Buckminster Fuller, omdat de moleculaire vorm van deze stoffen doet denken aan de structuur van zijn geodetische koepels.

Met kwantumchemische berekeningen is men er in geslaagd de elektronendichtheid in buckminsterfullereen (C 60) te berekenen. Het fijnmazig oppervlak laat zien hoe de elektronendichtheid in de molecule verandert.

Ziehier enkele voorbeelden van het gebruik van computationele chemie methoden in het dagelijkse leven:

  • Het voorspellen van neveneffecten van geneesmiddelen. Computationeel modelleren wordt door onderzoekers gebruikt om mogelijke neveneffecten van geneesmiddelen te voorspellen. Deze aanpak laat toe om vroeg in het ontwikkelingsproces het ontwerp van een geneesmiddel te kiezen dat het veiligste is voor patiënten. Het laat tevens toe om mogelijk nieuw gebruik van geneesmiddelen die reeds op de markt zijn voor te stellen. De identificatie van geneesmiddelen die het minst waarschijnlijk schadelijke effecten zullen vertonen kan het zeer lange proces, nodig om veelbelovende kandidaat geneesmiddelen van het experimenteel stadium naar de markt te brengen als middel voor ziekten waarvoor geen effectieve behandelingen bestaan, drastisch inkorten.
  • Ontwerp van functionele nanomaterialen. Koolstof nanostructuren vormen de hoekstenen van de hedendaagse en toekomstige nanotechnologie omwille van hun opmerkelijke fysicochemische eigenschappen. Koolstof nanobuizen bv. zullen, afhankelijk van hoe hun atomen opgebouwd zijn, zich ofwel als metalen of halfgeleiders gedragen en bezitten unieke optische eigenschappen. Fullerenen laten opmerkelijke chemie toe door de vorming van endohedrale verbindingen en worden hoge temperatuur supergeleiders in combinatie met zware metalen zoals Cs en Rb. Grafeen is tegelijk sterkste, stijfste en lichtste materiaal en vertoont tevens elektrische, optische en thermische eigenschappen die diegene van andere hedendaagse materialen overstijgen. Vandaag de dag vervult de computationele chemie een sleutelrol in het vergroten van onze kennis van deze prachtige materialen: hoe ze gevormd worden, hoe ze zich gedragen en wat hun eigenschappen zijn. Theoretische resultaten hebben een cruciaal inzicht verschaft over hoe de productie en eigenschappen van fullerenen, koolstof nanobuizen en grafeen kunnen verfijnd worden.
  • Voorspelling van toekomstige atmosferische condities. Het gebruik van computationele chemie laat vandaag de dag ook toe om de levensduur en het gedrag van atmosferische verbindingen te voorspellen. Deze methoden worden gebruikt om de chemische reacties te karakteriseren die de vorming van gasfase en aerosol-fase verbindingen, die een invloed hebben op klimaatverandering en de toxiciteit in de atmosfeer, controleren. Deze studies dragen bij tot het begrijpen van hoe luchtvervuilende stoffen afkomstig van verschillende bronnen zoals motorvoertuigen, de industrie, bosbranden, en vegetatie combineren met stikstofoxides uit de stadslucht om secundaire organische aerosolen te vormen.

Over de auteur

admin-ajax

placeholder biopic

Placeholder bio

Lorem ipsum dolor sit amet, nec disputationi concludaturque ne, ei inermis invenire vituperatoribus nam, no alienum accusamus quo. Scaevola sapientem rationibus vel cu. Melius offendit ut mea, an agam sonet saepe sit. Pri labitur honestatis te, eripuit intellegebat pro an, an dictas intellegebat ius.