De Nobelprijs voor Chemie gaat dit jaar naar drie scheikundigen die computerprogramma’s voor het modelleren van scheikundige reacties hebben ontwikkeld. Volgens het Nobelcomité is dankzij hun werk de computer tegenwoordig net zo belangrijk voor de scheikundige als de reageerbuis.

Bron: Flickr/ Solis Invicti
Bron: Flickr/ Solis Invicti

De Nobelprijs voor de Scheikunde is vandaag toegekend aan drie chemici die zijn gespecialiseerd in het modelleren van chemische reacties. De Amerikaans-Oostenrijkse Martin Karplus, de Britse Zuid-Afrikaan Michael Levitt en de Amerikaans-Britse Israëliër Arieh Warshel legden de basis voor computermodellen van complexe scheikundige reacties, die nu over de hele wereld standaard worden gebruikt.

Klassiek of quantum?

In de scheikunde heerste lange tijd een theoretische strijd tussen twee mechanismen om reacties te modelleren. De traditionele methode ging uit van Newtons klassieke mechanica, waarmee de interacties tussen grote moleculen relatief simpel worden berekend. Bij sommige scheikundige reacties spelen echter subatomaire processen een rol. Dergelijke reacties treden bijvoorbeeld op wanneer je ogen licht opvangen. Vrije elektronen in je netvlies raken door het licht in een hogere energietoestand, wat de vorm van complete moleculen verandert. Zulke processen waren onzichtbaar voor de klassieke methode.

Onderzoekers doen nog steeds allerlei wonderlijke ontdekkingen over ijs
LEES OOK

Onderzoekers doen nog steeds allerlei wonderlijke ontdekkingen over ijs

Vroeger zagen mensen ijs als iets wonderlijks, terwijl je het nu zelfs hartje zomer gewoon uit de vriezer haalt. Max Leonard vindt dat we dit bevroren ...

Karplus’ onderzoeksgroep aan de Harvard University ontwikkelde in de jaren zeventig een nieuw modelleringsmechanisme dat gebruikmaakt van principes uit de quantummechanica. Hiermee kunnen chemici complexe mechanismen binnen atomen berekenen en de meest ingewikkelde scheikundige reacties in kaart brengen. Ideaal, ware het niet dat de programma’s van Karplus en zijn team één nadeel hadden. Ze gebruikten namelijk enorm veel rekenkracht. In die tijd betekende dat dat de onderzoekers slechts quantumberekeningen konden doen op kleine moleculen.

Bijgeschaafd

Dat veranderde toen Warshel zich bij het team van Karplus voegde. Warshel had samen met Levitt uitstekende modelleringsprogramma’s ontwikkeld die waren gebaseerd op de klassieke methode. Samen met Karplus ontwikkelde Warshel een programma dat de sterke punten uit beide methoden combineerde. Het achterliggende idee was dat het programma de klassieke theorie gebruikte wanneer de berekeningen op moleculaire schaal plaatsvonden, maar overschakelde naar de quantumfysica als het een subatomair niveau betrof. Op deze manier werd op rekenkracht bespaard. Uiteindelijk wisten Warshel en Karplus een model te maken van de scheikundige reactie in je netvlies.

Warshel en Levitt schaafden de programma’s in de daaropvolgende jaren bij tot ze in 1976 voor het eerst een reactie met een enzym wisten te modelleren. Het revolutionaire programma dat ze daarvoor gebruikten, kon berekeningen doen met elk molecuul, ongeacht de grootte.

Volgens een persverklaring van het Nobelcomité is het modelleren van scheikundige reacties cruciaal gebleken voor de meeste huidige ontwikkelingen in de scheikunde. ‘Waar we vroeger stokjes met plastic balletjes gebruikten om de uitkomst van reacties te voorspellen, hebben we nu computers’, aldus het comité. ‘Vandaag de dag is de computer net zo belangrijk voor de scheikundige als de reageerbuis.’

De Nobelprijswinnaars. Bron: Nobelprize.org
De Nobelprijswinnaars.
Bron: Nobelprize.org