A kémia hagyományosan kísérleti tudomány, de az utóbbi évtizedekben a kémián belül is egyre nagyobb teret nyer az elméleti megközelítés. A kémiai reakciókat manapság már nemcsak kísérletileg lehet vizsgálni, hanem az elméleti kémikusok a fizika törvényeit alkalmazva, a matematika és az informatika eszköztárának segítségével ki tudják számítani, pontosan milyen mechanizmusok révén mennek végbe ezek a reakciók. Ezzel foglalkozik a Czakó Gábor vezette Lendület-kutatócsoport a Szegedi Tudományegyetemen.

Valós történések részletes leírása

„Kutatócsoportunk, az Elméleti Reakciódinamika Kutatócsoport a kémiai reakciókat, pontosabban e reakciók atomi és molekuláris szinten történő végbemenetelét vizsgálja – mondja Czakó Gábor. – Én mindig is, már a mesterképzéstől kezdve elméleti kémiával foglalkoztam. A PhD után 2008 és 2011 között posztdoktori kutatóként az atlantai Emory Egyetemen kutattam, és ott kezdtem el azokat a reakciódinamikai vizsgálatokat, amelyek végül ehhez a Lendület-pályázathoz is vezettek.”

Czakó Gábor

A vegyész ezt a témát folytatta hazaérkezése után is, először az ELTE-n, majd 2015-től a Szegedi Tudományegyetemen, amikor megalapította első kutatócsoportját. Először 2019-ben nyerték el a Lendület Program támogatását, idén pedig immár haladó támogatásban részesültek. „Tehát a Lendület támogatásával immár 5 éve foglalkozunk ezzel a témával, de a kutatásaink 15 éves múltra tekintenek vissza” – folytatja a kutatócsoport-vezető.

A kémiai folyamatokban atomok és molekulák vesznek részt, de a valós történések részletes leírásához elengedhetetlen az atomokat felépítő elektronok és atommagok mozgásának megértése. Az első lépés az elektronok mozgásának leírása, amiből meghatározhatjuk az úgynevezett potenciálisenergia-felületet. Ezek a felületek játszanak kulcsszerepet az atommagok mozgásának leírásában.

„A kutatómunkánk egyik kulcsa, hogy ezeket a felületeket pontonként ki tudjuk számítani, és illeszteni tudunk rájuk egy matematikai függvényt”

– mondja.

Kvantumszimulációk a reakciókon

Az első Lendület-projekt legfontosabb eredménye az volt, hogy kifejlesztettek egy szoftvert, amely potenciálisenergia-felületeket tud automatikusan konstruálni. Ezzel a kutatók jelentősen hatékonyabbá tették a reakciódinamikai vizsgálatokat. Most, a második pályázatban az a fő cél, hogy az atommagok mozgását a kvantummechanika törvényeivel is kezelni tudják. Eddig a magok mozgását a klasszikus newtoni mechanikával írták le, ami elég jó leírását adja a reakcióknak, hiszen az atommagok jelentősen nehezebbek, mint az elektronok. De ahhoz, hogy még pontosabb, még realisztikusabb szimulációkat végezhessenek, fontos a kvantummechanikai effektusok figyelembevétele is, különösen, ha például kis tömegű hidrogénatomok vesznek részt a reakcióban.

„A fő célunk, hogy kvantumszimulációkat végezzünk a reakciókon, és olyan modelleket fejlesszünk, amelyek jelenleg nem érhetők el a szakirodalomban – mondja Czakó Gábor. – De vannak kísérleti együttműködő partnereink is. Miközben mi tisztán elméleti úton vizsgáljuk, hogy hogyan mennek végbe ezek a reakciók, ugyanezeket a rendszereket laboratóriumi körülmények között is lehet tanulmányozni. Ezért együttműködünk például az Innsbrucki Egyetem egyik kísérleti csoportjával, amelynek tagjai élen járnak az ilyen típusú mérések terén.”

Összehasonlítják a számítási eredményeket a kísérlettel, ami mind az elmélet, mind a kísérlet szempontjából hasznos. Időnként kiderül, hogy a számítások mélyebb betekintést engednek a reakciókba, mint a mérések. Ennek hátterében az áll, hogy kísérletileg sokszor csak a termékeket tudják detektálni, sőt néha nem is minden terméket (a töltéssel nem rendelkező termékek detektálása gyakran nagyon nehéz). Ezzel szemben az elméleti kémikusok a számításaik révén könnyebben azonosíthatják az összes terméket, miközben azt is látják, hogy milyen reakcióúton megy végbe az átalakulás. „Mára eljutott oda az elméleti kémia, hogy nemcsak reprodukálni tudja a kísérleti eredményeket, hanem realisztikus előrejelzéseket is tud adni. Sokszor az elmélet szükséges a kísérleti eredmények magyarázatához, és az általa szolgáltatott információ kiegészíti a méréseket.”

Czakó Gábor elmondta, hogy ma már gyakran megesik, hogy ha az elmélet és a kísérlet nem azonos eredményeket ad, akkor inkább a mérésekkel van valami probléma (hiszen minden mérésnek van bizonytalansága, a kísérleti módszernek is lehet hibája). Erre a saját kutatásuk során is láttak már példákat. Korábbi vizsgálataik számos jelentős eredményt hoztak, amit jól mutat, hogy az utóbbi 9 évben már 3 cikket publikáltak a Nature Chemistry folyóiratban, a világ vezető kémiai folyóiratában. „Ez arra utal, hogy a munkánk nemcsak az elméleti kémikusok, hanem a vegyészek szélesebb körének érdeklődését is fölkeltette.” – véli a kutatócsoport-vezető.

Az elméleti kémiai megközelítéssel manapság már a legkisebb reakcióktól a nagy biomolekulákig bármilyen anyagi rendszerrel lehet szimulációkat végezni. A rendszer méretével fordítottan arányos a számítás pontossága, tehát kis rendszereknél nagyobb megbízhatóságot lehet elérni, a nagyobbak esetén nagyobb a pontatlanság. Az elméleti kémia számára még a legegyszerűbb reakciók is tartogatnak meglepetéseket, így vannak olyan kutatócsoportok, amelyek a legkisebb reakciókat vizsgálják, például a hidrogénatom reakcióját a hidrogénmolekulával. Mellettük azonban léteznek makromolekulákkal foglalkozó kutatók is.

Feltárni a kémia alapvető törvényszerűségeit

A Lendület-csoport jelenleg néhány (5–12) atomos rendszereket vizsgál, de az a céljuk, hogy pontos szimulációik hatókörét nagyobb reakciókra is kiterjesszék. „Rendszerint alapvető szerves reakciókat vizsgálunk, például a metán és más kis szénhidrogének reakcióit vagy heteroatomot tartalmazó kis szerves molekulák reakcióit különböző atomokkal – mondja Czakó Gábor. – Vizsgálunk ion-molekula reakciókat is. Ezek közül különösen fontos az úgynevezett S_N2 reakció, vagyis a bimolekuláris nukleofil szubszitúció, amely egy alapvető reakció a szerves kémiában. Az S_N2 reakciók dinamikai vizsgálatában úttörő szerepet játszunk, hiszen mi kezdtünk először nagy pontosságú potenciálisenergia-felületeket fejleszteni ezekre a reakciókra.”

Az S_N2 reakciók mechanizmusa már több mint száz éve ismert, de az atomi szintű történések még ma is sok újdonságot és meglepetést tartogatnak. A kutatócsoport már több új reakcióutat talált S_N2 reakciókra. „A fő célunk az, hogy a kémia alapvető törvényszerűségeit tárjuk föl, amelyek esetleg általánosíthatóak, és nagyobb rendszerekre is alkalmazhatók – érvel a kutatócsoport-vezető. –

Meg akarjuk érteni, hogy hogyan mennek végbe a reakciók, és miért úgy mennek végbe.

Ha ezt sikerül megértenünk, akkor esetleg a számunkra kedvezőbb termékek felé tudjuk irányítani a folyamatokat.”