Fizikai Szemle nyitólap

Tartalomjegyzék

Fizikai Szemle 1996/03. 93. o.

FIZIKA A KÉMIÁBAN

Rácz Zoltán
MTA-ELTE Elméleti Fizikai Tanszéki Kutatócsoport

Két tudományág határán várható fejleményekről jósolni nem hálás feladat. A beváló jóslatok ugyanis visszafelé nézve rendszerint triviálisnak tűnnek, minden egyéb pedig naiv képzelgéssé válhat. Ennek ellenére fantáziálni jó, s nagyon kellemes emlékeim vannak a Fizikai Társulat ülését megelőző meleg augusztusi hetekről, amikor is körbejártam a fizika és kémia határterületein hazánkban dolgozó (és általam ismert) fizikusokat és kémikusokat, s megkérdeztem őket arról; hogy mit is tartanak ők érdekesnek a “jövő"-ben. E beszélgetések, valamint a beszélgetések során felmerülő ajánlott irodalom elolvasásának eredménye az a kép, amit most megpróbálok felvázolni.

Fizikusok szemszögéből nézve, a kémia alkalmazott tudomány, amely különböző hasznos és érdekes tulajdonságokkal rendelkező anyagokat produkál az emberiség számára. Ezt a feladatát a kémia nagy szorgalommal látja el, hiszen az eddig dokumentált vegyületek száma 10', s ez a szám hetente 6 ezerrel nő. Attól nem kell félni, hogy ez a munka befejeződik, hiszen a lehetséges vegyületek száma gyakorlatilag végtelen, amiről könnyen meggyőződhetünk, ha kiszámoljuk, hogy hányféleképpen helyezhetjük el az ismert atomokat egy 1 cm élű kockában. Ebben a kockában benne van a kősótól kezdve a kisebb élőlényekig minden, amit ismerünk, meg nagyon sok minden, amit el sem tudunk képzelni. Az első kérdés persze az, hogy mit szeretnénk megtalálni ebben a kockában, s utána lehet megkérdezni azt, hogy a keresésben mennyiben vállalhatnak részt a fizikusok.

A sci-fi irodalom tele van egzotikusabbnál egzotikusabb anyagokkal, s vannak kutatási programok, amelyeknek határozottan sci-fi ízük van. Ha megpróbálunk egy kicsit szerényebbek lenni, s azt kérdezzük, hogy a jelenleg intenzíven kutatott problémák között melyek megoldása lenne igazán jelentős, s melyek megoldását segítené megfelelő molekulák, anyagok megtalálása, akkor a következő, minden bizonnyal nem teljes listát kapjuk:

Mérnökök mindig meg tudják mondani, hogy egy adott híd, szélvédőüveg, vagy láthatatlan repülőgép tervezésekor milyen tulajdonságú anyagok lennének optimálisak. Ezek az anyagok valószínűleg mind benne vannak a fent említett 1 cm élű kockában, de megtalálásuk mindig is kihívás lesz fizikusok, kémikusok, s velük együttműködő egyéb kutatók számára.

Világos, hogy az energiafelhasználás effektivitása jelentősen megnőne, s az energiahasználattal járó környezetszennyezést sokkal könnyebben lehetne kezelni, ha lenne olyan akkumulátorunk, amely kis térfogatban nagy mennyiségű energiát tárolna. Az is világos azonban, hogy e probléma megoldása messze nemtriviális, hiszen nagy energiasűrűség rendszerint a rendszer instabilitására vezet.

Úgy tűnik, hogy a társadalmi nyomás hosszú távon is megakadályozza a nukleáris energia felhasználását. Ez azt jelenti, hogy a napenergia hasznosítása előtérbe fog kerülni, s a napenergia effektív átalakítása egyéb energiaformákba alapproblémává válik.

Murphy törvénye szerint azok a kémiai reakciók mennek leglassabban, amelyeket leginkább szeretnénk, hogy gyorsan menjenek. A reakciók helyes irányba terelése és meggyorsítása a katalizátorokkal foglalkozók művészete. E művészeket főképp a vegyipar alkalmazza, s mivel eredményeik potenciálisan forradalmasíthatják (nagyon olcsóvá tehetik) fontos anyagok termelését, nagyipari díjazásban részesülnek. Tudományos szempontból a katalizátorok megértése eléggé kezdetleges állapotban van (dinamikáról lévén szó, elmélet igazából nem létezik), ezért figyelembe véve az eredmények fontosságát, komoly fejlődést várhatunk e területen is.

Számítógépek tervezése jelenleg már áttevődött a mezoszkopikus szintre, de várható hogy a molekuláris szintű számolás problémáját is megoldják egy-két évtizeden belül. Az első lépés itt egy használható adattároló molekula kifejlesztése lesz.

1995-öt néha az Internet évének nevezik, bár a mindennapi élet szintjén nem látható, hogy most indult meg az úgynevezett “információs sztráda" építése. Ahhoz, hogy ez a hálózat valóban minden otthonba eljusson, s széleskörű legyen használata, meg kell oldani igen nagy mennyiségű adat gyors továbbításának problémáját. Nulladik közelítésként a száloptika jelenti a megoldást, de a hálózat költségéből következően, az optimalizálásnak, s a különleges tulajdonságú anyagokon alapuló alternatív megoldások keresésének várhatóan nagy jelentősége lesz.

Már ma is vannak olyan “ideális" gyógyszerek, amelyek összeszednek és eltávolítanak a testből adott típusú atomokat vagy molekulákat (például radioaktív cézium ionokat), s semmi egyéb hatásuk nincs. Ezek a gyógyszerek elődjei a bonyolultabb “molekuláris motorok"-nak, amelyek a test mikroszkopikus sebészei lesznek. Mivel a fejlett országok populációi elöregedőben vannak, várhatóan nagy összegeket fordítanak majd ilyen típusú új gyógyszerek fejlesztésére, s lehetséges, hogy ez lesz a fizika, kémia és biológia szintézisének legérdekesebb és legtermékenyebb területe.

«»

A sort lehetne folytatni, de most inkább áttérek annak a nehezebb kérdésnek a tárgyalására, hogy milyen szerepe lehet a fizikusoknak a fenti és a fentiekhez hasonló problémák megoldásában. Másképp fogalmazva, a kérdés az, hogy mi lehet lelkesítő egy most végző fizikus diák számára, aki elhatározta, hogy a kémia felé fog orientálódni.

Természetesen, az 1 cm élű kocka rejtelmei önmagukban is lelkesítőek lehetnek, még akkor is, ha az ember a próba-szerencse, illetve annak tudományos változatát az évtizedeken át felhalmozott tapasztalat plusz próba-szerencse játékot játssza. E ponton igazából nem is lehet megkülönböztetni egy fizikust, aki a fullerének üregeibe helyez különböző ionokat, a kémikustól, aki a gélekben található lyukakat tölti ki különböző részecskékkel, s így próbál új, speciális tulajdonságú anyagokat kifejleszteni.

Az ilyen típusú kutatások szépségeit és váratlan eredményeit demonstrálandó, az előadásomban itt bemutattam Zrínyi Miklós kémikus (BME) által 1995-ben szabadalmaztatott mágneses gélt. Egy vízzel telt befőttesüveget kell elképzelni, amelyben egy piócaszerű valami lóg, ami furcsa mozgásokat végez az üveghez közelített mágnes hatására. Ebben a nagyon érdekes gélben glutáraldehid létesíti a kötéseket polivinilalkohol láncok között, s a láncok közötti térben 10-20 nm nagyságú magnetitrészecskék vannak diszpergálva. Az anyag stabil, szintézise egyszerű, úgyhogy a mágneses térre való reagálásának megértése elvezethet a jól kontrollálható műizmok problémájának praktikus megoldásához.

Az 1 cm élű kocka elméleti, s elvileg szisztematikusabb felderítését a kvantumkémia szolgáltathatja. A kvantumkémia a kvantummechanika megalkotása után a fizikából nőtt ki, s tradicionálisan igen sok fizikus dolgozik ezen a határterületen.

Számítástechnikai szempontból a kvantumkémia hatalmas fejlődésen ment keresztül az utóbbi fél évszázadban. Összehasonlítva a H2 molekula 1933-as, kézi számolásának a sebességét egy 1995-ös számítógép gyorsaságával, 108-109-es növekedési faktort kapunk. Az algoritmusok is sokat fejlődtek ez idő alatt, a sűrűségfunkcionál- vagy a Hartree-Fock-módszer időigénye például a számolandó molekulában levő atomok N számának csak harmadik, vagy negyedik hatványával nő. E fejlődések eredményeképpen a kvantumkémia igen hatékony módszerré nőtte ki magát, amellyel ma már 300 atomot tartalmazó molekulákat lehet számolni. Ez a teljesítmény már elég jó ahhoz, hogy új gyógyszerek fejlesztésében a kvantumkémia versenyképes legyen a laboratóriumi kísérletekkel (versenyképesség alatt a megbízható eredmények kihozásának körülbelül azonos árát értjük). Nem véletlen, hogy gyógyszergyárak támogatják leginkább a kvantumkémiai kutatásokat.

A kvantumkémia még izgalmasabbá fog válni, amikor már N = 1000-nél is több atomot tartalmazó molekulákat is vizsgálni lehet. Ekkor ugyanis már a biológia számára is érdekes eredmények születhetnek (kisebb proteinek néhány ezer atomot tartalmaznak, s a proteinszerkezet megértése a biológia egyik alapkérdése), Én; konzervatívan jósolva, 2015-re teszem azt az időt, amikor mondjuk egy N = 3000 atomos molekulát kezelni lehet. Azért konzervatív ez a jóslás, mert a jelenlegi N = 300-as tudáshoz képest mindössze egy nagyságrenddel nagyobb az atomok száma, ami 3-4 nagyságrenddel való növekedést feltételez a számítási kapacitásban. A 3-4 nagyságrendből legalább 2 jön majd a számítógépek sebességének a növekedéséből, 1 nagyságrend növekedés várható az elérhető számítógépek számában, s az algoritmusok, számítógépnyelvek fejlesztése is fog legalább 1 nagyságrendet hozni.

A biológiához közeledés azonban előtérbe helyezi majd annak a közegnek problémáját, amelyben a számolt molekula létezik, él. Ez a probléma jelen van a kémiai rendszerek esetében is, s a megoldás rendszerint a közeg elhanyagolása. A biológiai molekulák azonban csak közegben élnek (azaz csak ott funkcionálnak úgy, mint az élő szervezetben), s ráadásul ez a közeg nemegyensúlyi közeg kell legyen ahhoz, hogy az élő funkciókat megfigyelhessük. Mondanom sem kell, hogy a nemegyensúlyi kvantumkémia problémái legalább olyan súlyosak, mint a nemegyensúlyi statisztikus fizikáé, s a megoldástól valószínűleg elég távol vagyunk.

Megjegyezendő, hogy ha a közeg problémája valamilyen módon megoldásra kerül, akkor a részecskefizikusok nagy érdeklődéssel fogják tanulmányozni a talált módszert. Ugyanis a térelmélet megoldatlan problémája a vákuum, ami a kvantumkémiai közegnek felel meg.

A Fizikai Társulat ülésének vezetője ennél a pontnál szólt, hogy most már itt az ideje befejezni az előadásomat, úgyhogy itt fejezem be ezt a cikket is. Fél percet azért még kaptam arra, hogy elmondjam mi maradt bennem. Íme: kémiai reakciók - ezek a legegyszerűbb példái a nemegyensúlyi kvantumkémiának. Érdekesebb, jelenleg főképp fenomenologikus módszerekkel megközelíthető problémák: katalizátorok - a mintázatképződés minden szép példája megtalálható itt, s az elméleti fizikusok nagyon szeretik, mivel a katalizátorok rendszerint kétdimenziósak; molekuláris motorok - a sejtekben irányított mozgás folyik egy úthálózaton, de nem világos, hogy honnan tudják a molekulák, hogy merre menjenek (látszólag biológiai ez az érdekes probléma, de valószínűleg fizika és kémia is kell a megoldáshoz).

Köszönetnyilvánítás

Szeretném megköszönni Ladányi Károlynak, Nyikos Lajosnak, Nosztíczius Zoltánnak, Pipek Jánosnak, Tél Tamásnak és Zrínyi Miklósnak a fenti anyag összeállításában nyújtott segítséget.