Számításos kémiai kutatásokra nyert akadémiai támogatást a BME VBK Nyulászi László által vezetett kutatócsoportja.

„Régebben olyan híre volt a számításos kémiának, hogy csak játékszer, nem komoly tudomány, mivel gyakorlati szempontból fontos kérdések megválaszolásakor gyakran pontatlan válaszokat adott” – utalt a szakterületével kapcsolatos ellentmondásokra Nyulászi László, a Vegyészmérnönki és Biomérnöki Kar Szervetlen és Analitikai Kémia Tanszék vezetője, a közelmúltban akadémiai támogatást kapott „MTA-BME Számítógép-vezérelt kémia” elnevezésű kutatócsoport vezetője. „Mára ez a szakterület kivívta létjogosultságát a kémia egyéb ágai között.”

A számításos kémia a harmincas évekre kialakult kvantummechanika elméletére alapul. Az atomok és a molekulák elektronszerkezetének ismeretében a kémiai reakciók eredményeit jósolják meg elméleti úton anélkül, hogy elvégeznék a bonyolult és drága kísérleteket. „A rendszer energiájának ismeretében nagyon sok további paraméter levezethető” – magyarázta a professzor. „A probléma azonban a kezdeti időkben abból adódott, hogy a levezetést mindössze egyetlen elektront tartalmazó rendszerre – például a hidrogénatomra – lehetett pontosan megoldani. Az összes többi esetben közelítések voltak szükségesek, amelyek nem vezettek minden esetben kielégítő eredményre.”

Az ötvenes-hatvanas évekre annyit fejlődtek a módszerek, hogy az elméleti szakemberek már tanácsokat tudtak adni a gyakorlati kémikusoknak, de ezek a jóslatok gyakran így is hibásak voltak. A hatvanas években – a számítógépek előretörésével – egyes kutatók szisztematikusan kezdték finomítani számításaikat és megkísérelték modellezni a vegyületek szerkezetét, spektroszkópiai tulajdonságait. Ekkoriban az is eredménynek számított, ha a vízmolekula, tehát egy mindössze három atomból álló rendszer tulajdonságait leírták. A hetvenes években már előfordult, hogy korábbi kísérletekből megkapott adatokat vizsgáltak meg újra, mert a számításokból kapott eredményekkel rossz egyezést mutattak. „Mára eljutottunk oda, hogy nagyobb méretű rendszereknél is meg tudunk jósolni bizonyos jelenségeket, így akár tervezni is lehet molekulákat” – hangsúlyozta Nyulászi László, hozzátéve, hogy ugyan kutatócsoportjának programja új, ám részben a tanszéken az elmúlt években már létező két kutatócsoport tagjaira épül. E két csoport a Hargittai István professzor emeritus által vezetett szerkezeti kémiai csoport, a másik a Horvai György egyetemi tanár által vezetett műszaki analitikai kutatócsoport volt.

„Horvai tanár úrék foglalkoztak az ún. molekulárisan imprintelt polimerek tulajdonságaival” – mesélte Nyulászi László. „Vegyünk egy példát. Meg akarnak mérni egy gyógyszermolekulát, amely általában gyenge bázisokat tartalmaz: ehhez gyenge savmolekulákat kapcsolnak, aminek eredményeképpen polimer jön létre. Az így kialakult rendszerből ki lehet mosni a bázisokat, de a polimer többi része ’emlékezik’ a kimosott molekulákra, amelyet ezért analitikai kísérletekhez lehet használni. A számításoknak itt különös jelentőségük lehet: meg tudjuk-e mondani, hogy milyen savat kell használni, és milyen kölcsönhatások várhatók ott, amelyek kialakítják ezt a kapcsolási helyet? Ha ezt képesek vagyunk modellezni a számításos kémia segítségével, akkor az előállítási körülményeket is finomíthatjuk. A kutatócsoport most azon dolgozik, hogy megértse ezeket a gyenge sav-gyenge bázis kapcsolódásokat. Egy gyenge bázishoz egyszerre több gyenge sav is kapcsolódhat, ezt a szakirodalomból tudjuk: ezek kapcsolódási rendjét megismerve még szelektívebben alakítható ki a kapcsolódási hely, és így nagyobb érzékenységet, jobb analitikai elválaszthatóságot lehet elérni, tehát gyakorlati haszna is lehet vizsgálódásainknak.”

A kutatócsoportban vannak, akik a polimereket készítik, és vannak, akik a modellezéssel foglalkoznak. „A számításos kémia hagyományos alkalmazásakor megmérik, a kémiai reakció során lejátszódó folyamatokat majd utólag magyarázzák a jelenségeket. Nekünk az a célunk, hogy a számítások alapján előre meg tudjuk mondani, mi az, amit csinálni kell. Emlékezetes volt hat-hét évvel ezelőtt egy egészen konkrét eset: megjósoltuk egy olyan furcsa molekula előállíthatóságát, melyben az általában négy vegyértékű szilíciumatom hat vegyértékű. A számítási eredményeimet elküldtem egy neves amerikai kutatónak, aki megpróbálkozott a javasolt vegyület szintézisével, de nem sikerült neki. Így a saját számítási eredményeinket közöltük az Organometallics című folyóiratban, és a cikkünk megjelenése után három hónappal egy német kutató megcsinálta ezt a szokatlan molekulát.”

A hattagú kutatócsoport más nemzetközi együttműködésben is érdekelt. Francia kutatókkal közösen OLED (Organic Ligh-Emitting Diode, szerves fényemittáló dióda) készítéséhez felhasználható anyagokat keresnek, amelyek egyrészt nagyon jó fénykihozatali tulajdonságokkal rendelkeznek, azaz, a felvett elektromos teljesítmény jelentős részét fény formájában sugározzák ki  másrészt vékony, és például akár hajtogatható képernyők is készíthetők velük. E diódák jobb hatásfokkal rendelkeznek, mint a hagyományos lámpák. „E célra az úgynevezett policiklusos aromás szénhidrogéneket (PAH) heteroatom beépítésével módosítunk. E heteroatomok közül mi a szilícium alkalmazását, a franciák a foszforét vizsgálják, de mindkettőhöz mi végezzük a számítási hátteret, és el is készítjük a szilíciumos molekulát” – tette hozzá a Nyulászi László.

A kutatócsoport vezetője az oktatói és a kutatói munka szimbiózisában hisz. „Sokan csodálkoznak, hogy a 250 főből álló évfolyam zárthelyiét magam javítom, ami körülbelül három-négy napig tart. Számomra fontos visszajelzést kapok így az oktatás színvonaláról, és arról, hogy megértették-e a diákjaim a magyarázatokat. A kutatásban szerzett tudás beépül az oktatásba – nemcsak a legszűkebb szakterület eredményei, hanem a konferenciákon a kollégák által közvetített ismeretek is. Lehet pedagógiai szempontból jól felépített előadásokat tartani, de hosszabb távon a kutatás és az oktatás egymást erősíti. Az egyetem lényege éppen abban a tudásban rejlik, amely oktatók-kutatók és a diákok fejében van: ez biztosítja az intézmény színvonalát, és elérésében nem nélkülözhető az oktatásba integrálódott kutatói ismeretanyag” – emelte ki az akadémiai támogatást elnyert tudós.

HA - TJ

Fotó: Takács Ildikó