Avdekket overraskende, magnetiske egenskaper

Kvantekjemikere har avslørt at en stor gruppe molekyler får nøyaktig den motsatte magnetiske egenskapen når magnetfeltet blir sterkt nok. – Resultatet er svært uventet, sier kjemiprofessor.

ENORME MAGNETFELT: Astrofysikere må ta hensyn til den nye oppdagelsen i simuleringsmodellene sine, når de skal forstå hva som skjer med molekyler i magnetfeltene i verdensrommet. Foto: SciencePhoto.

Kvantekjemikere ved Universitetet i Oslo har gjort overraskende oppdagelser på molekyler i sterke, magnetiske felt. Hvis magnetfeltet blir sterkt nok, støtes alle molekyler ut av et magnetfelt, selv de som først trekkes inn i feltet.

– Resultatet er uventet. Det er stor interesse for manipulering med magnetiske egenskaper. Det forundrer oss derfor at dette fenomenet er ukjent, forteller professor Trygve Helgaker ved The Centre for Theoretical and Computational Chemistry (CTCC), et senter for fremragende forskning delt mellom universitetene i Oslo og Tromsø.

CTCC er internasjonalt ledende på kvantekjemiske beregninger på datamaskiner.

Trygve Helgaker har de siste 25 årene vært en av hovedarkitektene bak Dalton, et dataprogram som gjør det mulig å simulere kvantekjemiske systemer. Beregningene er svært tunge. Dalton er tatt i bruk på mer enn tusen forskningsinstitusjoner og universiteter over hele verden.

Beregningene gjør det mulig å bygge opp virtuelle, kjemiske systemer ved å simulere hvordan elektronene oppfører seg i molekyler. Dette er viktig fordi elektronene limer sammen atomene i et molekyl. Simuleringene gjør det blant annet mulig å peke ut de mest lovende retningene for eksperimentelle undersøkelser.

Nå har doktorgradsstudent Erik Tellgren , i samarbeid med Trygve Helgaker og forsker Alessandro Soncini , utviklet en helt ny programvare, London, som simulerer molekyler i sterke, magnetiske felt.

Uheldig frosk

Molekyler kan oppføre seg på to ulike måter i et magnetfelt.

Noen molekyler trekkes inn i det magnetiske feltet, på samme måte som magnetbrikker fester seg på kjøleskapet. Slike molekyler kalles paramagnetiske.

De fleste molekylene oppfører seg omvendt. De støtes ut av feltet. Disse molekylene kalles diamagnetiske.

– Du kan gjenskape denne effekten ved å presse to like magnetbrikker mot hverandre. Uansett hva du gjør, søker magnetene fra hverandre.

Universitetet i Nijmegen i Nederland har testet denne egenskapen ved å plassere en uheldig frosk i et sterkt magnetfelt. Frosken svevde, fordi den nesten utelukkende består av frastøtende magnetiske molekyler, slik som vann.

TUNGE BEREGNINGER: Professor Trygve Helgaker og doktorgradsstudent Erik Tellgren har utviklet et dataprogram som simulerer hvordan molekyler oppfører seg i svært sterke magnetfelt. Foto: Yngve Vogt

Alt blir frastøtende

Likevel fins det en stor gruppe molekyler med den motsatte egenskapen. Det er her vi kommer til poenget: Når magnetfeltet blir sterkt nok, vil den magnetiske egenskapen til disse paramagnetiske molekylene forvandles fra tiltrekkende til frastøtende. Det er som om magnetbrikken på kjøleskapet skulle falle av når magnetfeltet blir sterkt nok!

– Vi har ikke sett dette fenomenet tidligere, fordi man kun har studert paramagnetiske molekyler i svake magnetfelt, forteller Trygve Helgaker.

Den første vitenskapelige artikkelen om det spesielle magnetiske fenomenet kommer på trykk i det vitenskapelige tidsskriftet Physical Chemistry Chemical Physics til sommeren. Det betyr at Apollons lesere er de første som får høre om denne oppdagelsen.

Umulig på Jorda

De tre forskerne har utelukkende påvist den magnetiske forvandlingen i computersimuleringer. Beregningene viser også hvordan molekylene endrer sin form i sterke magnetfelt. Noen molekyler trekker seg sammen, andre strekker seg ut.

Problemet er at det ikke er mulig å gjøre disse eksperimentene i et laboratorium.

Forklaringen er meget enkel: Det er, per i dag, ikke mulig å lage så sterke magnetfelt på Jorda.

Den magnetiske forvandlingen er avhengig av størrelsen på molekylet. Jo mindre molekylene er, desto sterkere må magnetfeltet være. Eller for å si det omvendt: Jo større molekylet er, desto svakere magnetfelt trengs for å oppnå den interessante effekten.

Med dagens laboratorieteknologi skulle det være mulig å observere den magnetiske forvandlingen for molekyler bestående av rundt 100 atomer. Problemet er at London-programmet bare kan beregne magnetiske egenskaper til molekyler med færre enn 30 atomer.

– Skulle man undersøke den magnetiske forandringen til slike molekyler eksperimentelt, trenger man ti ganger sterkere magnetisme enn det som er mulig å lage på Jorda i dag, forklarer Erik Tellgren.

Kvantekjemikerne ønsker å regne på flere tusen atomer samtidig. Da kan de studere kjemien til biologiske molekyler. Den eneste måten å simulere så store molekyler på i dag, er å karikere dem. Det betyr at kjemikerne må fjerne de delene av molekylet som de antar ikke er vesentlige.

– Vi vil gjerne ha en så god simuleringsmetode at vi slipper flest mulig av disse antakelsene, forteller Trygve Helgaker.

Leder strøm på bestemt måte

Den nye kunnskapen om hvordan molekyler oppfører seg i magnetiske felt, kan endre fremtidens teknologi.

– På sikt kan man lage magnetiske sensorer eller nye materialer som leder strøm på en helt bestemt måte. Vi kan da kontrollere strømmen bedre enn i dag, forteller Erik Tellgren.

Simuleringer av molekyler i magnetfelt kan også hjelpe astrofysikerne med å forstå hva som skjer med molekyler i de sterke magnetfeltene i verdensrommet.

– Man har funnet 100 til 200 forskjellige typer molekyler i verdensrommet. Mange av disse molekylene fins ikke på Jorda. Det er bare mulig å studere disse molekylene med kvantekjemiske beregninger, påpeker Trygve Helgaker, som fikk Forskningsprisen ved Universitetet i Oslo for tre år siden.

Emneord: Matematikk og naturvitenskap, Informasjons- og kommunikasjonsvitenskap, Simulering, visualisering, signalbehandling, bildeanalyse, Kjemi Av Yngve Vogt
Publisert 1. feb. 2012 11:44
Legg til kommentar

Logg inn for å kommentere

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