Samkristaller av HCN och etan

• Vetenskapsrådet

  Öppnar nytt fönster hos ror.org.

  RORÖppnas i en ny tabb

2016-04127_VR

Nya material med relevans för livets ursprung och planetforskning

Många av de ”lågt hängande frukterna” inom materialvetenskapen har plockats. Kemiska experiment är dyra, tar tid, och kan även vara riskfyllda om man inte vet vad man kan förvänta sig. För att utveckla nästa generations avancerade material behöver vi kemister i allt större utsträckning använda oss av datorsimuleringar för att beräkna tänkta materials egenskaper innan de existerar. Den här forskningen syftar till att förutspå en rad helt nya klasser av material, beräkna deras egenskaper, och simulera vilka kemiska reaktioner som kan tänkas bilda dem. Till vår hjälp har vi kvantmekaniken, vår mest exakta beskrivning av den atomära världen. Med hjälp av superdatorer kan vi idag beräkna hur tusentals elektroner och atomkärnor interagerar med varandra. Beräkningarnas exakthet är ofta jämförbara, eller av högre säkerhet, än vi kan mäta experimentellt. Vi kan med andra ord uppskatta materials egenskaper under förhållanden fjärran från vad som är praktiska i laboratorium – extrema temperaturer och tryck, lång och kort tid, det finns i princip inga begräsningar. Först när vi är övertygade om ett materials goda egenskaper, och har en idé om hur de skulle kunna framställas, går vi till nästa fas, nämligen att försöka tillverka materialet på riktigt.Detta forskningsprojekt kommer i första hand fokusera på olika väldefinierade material som kan tänkas bildas från en av universums enklaste molekyler, som också är vanligt förekommande – vätecyanid. Denna molekyl består endast av en väteatom (H) en kolatom (C) och en kväveatom (N). HCN är genom en evolutionär slump mycket giftig för människor, då cyanidjonen (CN-) reagerar med järn och förhindrar nödvändig elektrontransport i våra celler. Kemister är vana att handskas med farliga ämnen, men just HCN är så pass giftigt att det ofta är opraktiskt att arbeta med det. Här är beräkningskemi mycket lämpligt för att minimera risker och möjliggöra sökandet av nya material. Så varför skall vi intressera oss för HCN?Kolatomer kan binda fyra andra atomer, kväve kan binda tre och väte kan binda en annan atom. Detta ger oss en uppsjö av kombinatoriska möjligheter! Olika endimensionella kedjor, tvådimensionella ark och tredimensionella nätverk, alla med olika mekaniska, elektroniska och kemiska egenskaper. Många av dessa kan vara ofarliga och användbara material som ännu inte upptäckts! Nya metoder för att analysera kemisk bindning kommer att utvecklas. Genom att testa dessa metoder på material med olika egenskaper, men där alla är uppbyggda av samma atomer, hoppas jag kunna lära mig regler som beskriver hur specifika materialegenskaper uppkommer. Dessa regler kommer sedan användas för att mer direkt designa nya material med önskvärda egenskaper.En ytterligare viktig anledning att undersöka just dessa material är att HCN är en av de viktigaste byggstenarna i den kemi som tros förklara uppkomsten av aminosyror, polypeptider och andra biologiska molekyler nödvändiga för livets uppkomst. Att förklara den förhistoriska kemi som gav upphov till självkopierande molekyler, och arv av information, är en av de mest komplexa utmaningarna inom kemivetenskapen. Försök att reagera HCN med sig självt i laboratorier har resulterat i en blandning av olika komplexa strukturer, och man har man inte kunnat bevisa hur eller om enskilda mer väldefinierade material är viktiga i detta sammanhang. Det är först nu, när vår beräkningskapacitet har blivit kraftfull nog, som vi har möjlighet att undersöka varje unikt material för sig.Rymdskeppet Cassini undersöker för tillfället Saturnus och dess månar, och har upptäckt oidentifierade kemiska tecken (ljusspektra) på månen Titan. Dessa härstammar troligtvis från vätecyanidrelaterade föreningar, som skulle kunna ge oss viktig insikt i vilken kemi som är verksam på denna geologisk aktiva måne. Jag planerar därför att jämföra olika materials beräknade spektra med mätningar från Titan och med experiment gjorda av olika samarbetspartners, inklusive planetforskare hos Amerikanska rymdstyrels

• Gobierno del Principado de Asturias

  Öppnar nytt fönster hos ror.org.

  RORÖppnas i en ny tabb

AYUD/2021/58773

• Agencia Estatal de Investigación

  Öppnar nytt fönster hos ror.org.

  RORÖppnas i en ny tabb

PID2021-122585NB-C22

• National Aeronautics and Space Administration (NASA)

  Öppnar nytt fönster hos ror.org.

  RORÖppnas i en ny tabb

80NM0018D0004