Parer kjemiske stoffer

Det er ikke bare dyr og mennesker som kan pare seg. Nå har kjemikerne adoptert evolusjonslæren og begynt å pare kjemiske stoffer for å utvikle nye og bedre materialer.

KJEMISK AVL: Chris Erik Mohn (t.v.) og professor Svein Stølen ved Kjemisk institutt har utviklet et dataprogram som bruker evolusjon til å avle frem de beste kjemiske strukturene. Foto: Ola Sæther.

Professor Svein Stølen ved Kjemisk institutt på Universitetet i Oslo parer kjemiske stoffer for å lage materialer med optimale egenskaper. Sammen med sin tidligere doktorgradsstudent Chris Erik Mohn , som for tiden er forsker ved Universitetet i Bristol, har han brukt de gode gamle teoriene til Charles Darwin for å løse kjemiske problemer som ellers aldri ville vært mulige å løse, verken på skrivebordet eller i laboratoriet.

På nøyaktig den samme måten som at evolusjon fører til at dyr og planter utvikler seg optimalt og tilpasser seg miljøet best mulig, bruker kjemikerne evolusjonsteorien til å utvikle materialer med de beste egenskapene.

Noen ganger ønsker kjemikerne å lage materialer med høyest mulig tetthet eller lavest mulig energi. Andre ganger er de på jakt etter porøse materialer med en bestemt størrelse på porene.

Et godt eksempel på slike materialer er en spesiell gruppe kjemiske stoffer som kalles zeolitter . Zeolitter brukes i oljeindustrien, i katalysatorer og er en viktig bestanddel i vaskepulver. Det er heller ikke utenkelig at fremtidens hydrogenbiler kan lagre hydrogen i zeolittbatterier.

Forsterker egenskapen

Problemet er at ingen zeolitt-strukturer er like. Størrelsen på hulrommene gir strukturene forskjellige egenskaper.

I visse sammenhenger brukes zeolitter som en sil, der størrelsen på porene bestemmer hvilke molekyler som kan slippes igjennom. Noen ganger kan det være interessant for kjemikerne å lage hulrommene så små eller så store som mulig.

For å få et inntrykk av hvordan en bestemt zeolitt-struktur ser ut, kan kjemikerne bygge opp strukturen med en spesiell type byggeklosser. Prinsippet er akkurat det samme som med legoklosser, bare med den forskjellen at alle byggeklossene har formen som en pyramide med trekantet grunnflate. Realistene kaller denne formen for et tetraeder.

Pyramideformen er ikke tilfeldig valgt. Kjemikerne har gjort den antakelsen at det fins et atom i midten av hver enkelt pyramide. Det indre atomet har forbindelse til fire andre atomer. Disse fire atomene representerer de fire hjørnene på pyramidene. Da kan man bygge en zeolitt-struktur ved å sette sammen pyramidene med hjørnene mot hverandre.

Utfordringen er at det fins et tilnærmet uendelig antall muligheter å bygge disse strukturene på. Det er derfor umulig å finne den beste løsningen med den klassiske prøve- og feilemetoden.

Evolusjon

– Spørsmålet er hvordan man går frem for å finne den optimale strukturen. Hvis man leter tilfeldig, er sannsynligheten langt større for å finne noe som ikke virker enn noe som virker. Det er her evolusjonsteorien kommer inn, forteller Svein Stølen.

For å finne den beste strukturen, har Chris Erik Mohn laget et dataprogram som velger ut en tilfeldig grunnpopulasjon på vel tusen forskjellige tenkte strukturer. De enkelte strukturene kan formuleres matematisk, som en lang rekke tall med nuller og enere.

Denne tallrekken er en unik ”gentråd” som beskriver den kjemiske strukturen. Dette kan sammenliknes med at vi mennesker har en unik DNA-rekke (arvemateriale) med ulike gener.

For å finne frem til den optimale strukturen, parer dataprogrammet de enkelte strukturene med hverandre. Partnervalget skjer ikke tilfeldig, men etter et svært bestemt system.

Hvis man ønsker å finne strukturer med så store porer som mulig, rangordnes alle ”individene” etter størrelsen på porene sine. Jo større porer, desto større er sannsynligheten for at strukturen får lov til å pare seg.

Det betyr at strukturene med store porer har langt større sannsynlighet for å pare seg enn de med små porer. Strukturene med de små porene har likevel muligheten til å pare seg, men sannsynligheten er da størst for at de pares med partnere med store porer.

Hele poenget er å forsterke evolusjonsprosessen. Paringene skjer ved at ”barna” til materialene får en blanding av egenskapene til mor og far.

Det skjer ved at ”gentrådene” som beskriver zeolittstrukturene blir klipt i to, slik at den nye strukturen får halve arvematerialet fra mor og halve fra far.

Hvis man antar at zeolittstrukturen er en firkant, får barnet gensekvensen til den innerste delen av strukturen til moren og den ytre delen av strukturen til far.

– Du tar altså det indre mønsteret fra én struktur og det ytterste mønsteret av en annen struktur og blander disse to strukturene med hverandre. Men det er viktig å tenke på hvordan de deles opp. Det må ikke skje vilkårlig. Klipper man ”gentrådene” på en slik måte at man ikke får med seg beskrivelsene av et eneste hull til ett av foreldrene, kommer man ikke frem til et skikkelig resultat, poengterer Svein Stølen.

Innavl

Den store forskjellen fra naturens eget evolusjonssystem, er at ingen dør i den kjemiske evolusjonen. Barn kan pare seg både med søsken og med sine egne foreldre. Men selv i den virtuelle verden kan innavl føre til stagnasjon. For å hindre dette har forskerne lagt inn mutasjoner i evolusjonsmodellen.

For hver paringsrunde øker sannsynligheten for å finne et materiale med enda bedre egenskaper.

For å sjekke hvor mange paringer som trengs, har kjemikerne testet dataprogrammet på et stoff der de kjente svaret på forhånd.

– Selv om det fantes flere trillioner kandidater, kom dataprogrammet i mål etter bare 10 000 paringer, forteller professor Svein Stølen ved Kjemisk institutt.

Emneord: Matematikk og naturvitenskap, Fysikk, Teoretisk kjemi, kvantekjemi, Kjemi Av Yngve Vogt
Publisert 1. feb. 2012 11:53
Legg til kommentar

Logg inn for å kommentere

Ikke UiO- eller Feide-bruker?
Opprett en WebID-bruker for å kommentere