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:

• Különleges mechanikai, optikai, hőszigetelő, elektromos stb. tulajdonságokkal rendelkező anyagok keresése.

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.

• Nagy energiasűrűséget tároló, könnyű anyagok problémája.

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.

• Energiaátalakítást nagy hatásfokkal végző molekulák megtalálása.

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.

• Katalizátorok fejlesztése.

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.

• Adattárolás megoldása molekuláris szinten.

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.

• Nagy mennyiségű adat átvitelének problémája nagy távolságok esetén.

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.

• Gyógyszerek, molekuláris motorok tervezése.

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.

Ťť

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 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).

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