Han bryter ned giftige stoffer med lydbølger

For å skjønne hvordan lydbølger bryter ned giftige stoffer i vann, må Sverre Løyland følge atomene og elektronene i den kjemiske reaksjonen.

KJEMILYDER: Sverre Løyand bruker ultralyd i vann for å danne noen helt spesielle stoffer som bryter ned giftige stoffer i vann. Foto: Yngve Vogt

Fordøyelse, aldring og vannrensing har en viktig ting til felles: Alt handler om hvordan kjemiske forbindelser brytes ned.

Maten du spiser, blir brutt ned til mindre deler. Det er nødvendig. Når du blir gammel, brytes cellene i kroppen ned. Det er ikke like morsomt. Og drikkevannet ditt? Vannet renses ved å bryte ned og ufarliggjøre uønskete stoffer.

Det er fortsatt ikke godt nok forstått hvordan den kjemiske nedbrytingen skjer på atomnivå. Og det er nettopp dette stipendiat Sverre Løyland forsker på. Han tar doktorgraden sin på Hylleraas-senteret, et senter for fremragende forskning knyttet til universitetene i Oslo og Tromsø. Spesialet deres er kvantekjemiske beregninger på datamaskinen. Her simulerer forskerne hvor atomene og elektronene til enhver tid befinner seg i en kjemisk reaksjon.

Nedbryting

Nedbryting av stoffer, uansett om vi snakker om fordøyelse, aldring eller vannrensing, skyldes at stoffene blir utsatt for noen små og veldig aggressive forbindelser.

Vi har mange typer av dem i kroppen, både på godt og vondt. Vi har dem også i atmosfæren. Det skal vi være glade for. For eksempel bryter de aggressive forbindelsene ned klimagassen metan, som popper opp fra myrer og ku-raping, samt såkalte VOC-gasser. Dette er en stor gruppe flyktige, organiske forbindelser som ikke bare slippes ut fra industrien, men som også siver ut fra trær.

Aggressive radikalere

Kjært barn har mange navn. Kjemikerne kaller de små og aggressive, kjemiske forbindelsene for reaktive oksygenspecier. Forkortelsen er ROS. Noen kaller dem for aggressive radikalere. Uansett navn:

– De finnes nesten overalt og reagerer svært lett med andre stoffer, forteller Sverre Løyland.

Han studerer et knippe av dem i noen helt spesielle settinger. Et av dem er hydroksyl, med den kjemiske formelen er OH. For dem som er kjent med kjemikernes notasjonsverden, er det lett å se at OH består av ett oksygenatom (O) og ett hydrogenatom (H).

Det eneste som skiller OH fra vann (H2O), er antall hydrogenatomer. OH har bare ett hydrogenatom, mens vann har to. OH er svært ustabilt.

– OH kan derfor knabbe et hydrogenatom fra nesten hva som helst.

Mikroskopiske bobler

Sverre Løyland undersøker hvordan OH bryter ned giftstoffer i vann. For å klare det, må han lage denne spesielle forbindelsen. Det gjør han ved å sende ultralyd ned i vannet. Dette er et eget fagområde i kjemi, kalt sonokjemi, som handler om hvordan kjemiske reaksjoner kan utløses med lyd.

– Lyd er vibrasjoner. Hvis man har tilstrekkelig mye ultralyd i vann, vil vannet begynne å vibrere.

Når vannet vibrerer, vil trykket variere. I noen områder vil trykket være høyt, andre steder lavt.

– I området med lavt trykk oppstår det mikroskopiske bobler. Boblene vibrerer og vokser i takt med lydbølgene. Når boblene har nådd en kritisk størrelse, kollapser de.

Og der, midt under kollapsen, skjer det utrolige: Temperaturen i de sammentrykte boblene er like høy som på solens overflate. Trykket er enda større enn på bunnen i Jordas dypeste havgroper.

– Situasjonen i boblene er så ekstrem at vannet spaltes til OH. De er svært aggressive. Hvis du har urenheter i vannet, vil OH reagere ved blant annet å ta hydrogenatomer fra dem. Da brytes urenhetene ned. Og det er nettopp det som er så fint med denne metoden. Du trenger ikke rense vann med kjemiske stoffer. Det eneste du trenger er lyd.

Ikke godt nok kjent

For å være helt presis; Sverre Løyland forsker på hva som skjer i starten av de kjemiske reaksjonene når de aggressive radikalerne reagerer med og bryter ned urenhetene i vann.

Et eksempel på slike urenheter er aromatiske stoffer. De har fått betegnelsen på grunn av en spesiell lukt. Mange av de aromatiske stoffene er kreftfremkallende.

Eksperimentet hans er dobbelt. Han løser aromatiske stoffer i vann, setter på ultralyd og ser hvordan stoffene brytes ned. Ved hjelp av noe som kalles for massespektrometri, kan han måle mengden av de ulike molekylene før og etter den kjemiske reaksjonen.

Selv om han da får vite hvordan tilstanden var både før og etter, vet han likevel ikke hvordan den kjemiske reaksjonen har skjedd.

Simulerer atomer og elektroner

Og det er da vi er kommet til det store poenget hans. Løyland bruker en tungregnemaskin til å simulere hvilke kjemiske reaksjoner som kan ha skjedd. Her er det altså snakk om kvantekjemiske beregninger. Takket være disse beregningene får forskeren presis oversikt over bevegelsene til alle atomene og elektronene. Selv om datamaskinen er av det svært så kraftige slaget, tar hver av simuleringene likevel så mye som 24 timer.

– I datamaskinen kan jeg se på hvor mye energi som kreves for de ulike kjemiske reaksjonene. Da kan jeg finne den reaksjonen som krever minst energi.

Når han gjennom simuleringene har funnet den mest sannsynlige kjemiske reaksjonen, sjekker han om han fikk den samme fordelingen av kjemiske stoffer i det vaskeekte eksperimentet i vannglasset.

– Hvis jeg får den samme fordelingen av stoffer, er det rimelig å anta at hypotesen min stemmer.

– Hvorfor er denne forskningen viktig?

– Nedbrytningsprosesser er universelle. De pågår hele tiden, uansett om vi snakker om noe som skjer i naturen eller i kroppen vår. Det er viktig å skjønne hvordan nedbrytingen foregår i detalj for å lære mer om hvordan vi kan hindre uønsket nedbryting, slik som å unngå DNA-skader, eller å utnytte nedbrytingen enda bedre, slik som å rense utslippsvann fra industrien med færre kjemikaler. Hvis vi skjønner helt nøyaktig hvordan denne nedbrytingen foregår, kan vi lage nye og billigere kjemiske forbindelser på en grønnere måte. Det kaller jeg lyden av god kjemi.

Av Yngve Vogt
Publisert 18. mai 2021 10:37 - Sist endret 18. mai 2021 10:37
Legg til kommentar

Logg inn for å kommentere

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