Gaur egungo Kimika, esperimentala? (IV) XXI. mendeko laborategiak

Jon Mattin Matxain

Artikulu sorta honen aurreko atalean Kimika Kuantikoaren jaiotzaz eta bere lehenengo hamarkadetan egindako bilakaeraz aritu ginen. Mekanika kuantikoa molekuletan aplikatzerakoan sortu zen diziplina da Kimika Kuantikoa. Diziplina honen garapenari esker, molekulen egitura, propietateak eta erreaktibitatea azaltzeko gai izan ziren garaiko fisikari eta kimikariak. Zoritxarrez, sortaren bigarren atalean esan genuen bezala, teoriatik sortutako ekuazioak ezin ziren zehazki ebatzi bi elektroi baino gehiago dituzten atomo zein molekuletarako. Hori dela eta, metodo hurbilduak garatu eta kontzeptu berriak sortu zituzten. Kontzeptu horiek egungo kimikaren hiztegian ongi errotuta daude.

Ekuazioen ebazpenak beste arazo bat ere bazuen: eskuz ebatzi behar ziren. Honen ondorioz, kimika kuantikoa molekula txikien eta bitxien esparruan murgilduta ibili zen bere lehenengo hamarkadetan, 1930 eta 1960-70 urteen artean, alegia. Dena dela, Kimikari egindako ekarpenak ezinbestekoak izan ziren, egungo Kimika modernoa ulertzeko. Ekarpen hauengatik Kimikako Nobel saridun batzuk teorikoak izan ziren, Linus C. Pauling (1954) eta Robert S. Mulliken (1966) estatubatuarren kasu. Gaurko artikulu honetan, sortaren azkenekoan, Kimika Teorikoak 1970. hamarkadatik gaur egunera hartutako bultzada izugarriaz arituko gara.

Goian esan bezala, Kimika Kuantikoak izugarrizko aurrerakada ekarri zuen teoria kuantikoa garatu zeneko lehenengo 30 urteetan, baina 1960-70ko hamarkadetan ez aurrera ez atzera zegoen, batez ere modeloak gehiegi sinplifikatu behar zirelako. Bitartean, Kimika Esperimentalaren aurrerapena askoz ere handiagoa izan zen, eta honek Kimika Kuantikoa kimikaren esparru txiki batera baztertu zuen. Kimikak lotura sendoak zituen bertze jakintza arloekin, baina Kimika Kuantikoa ala Teorikoa fisikarekin eta matematikarekin zegoen lotuta bakarrik (ikusi 1. irudia). Are gehiago, kimikari askok, gehienek ziuraski, kimikari kuantikoak ez zituzten hartzen kimikaritzat, fisikari ala matematikaritzat baizik.

1_irudia

1. irudia: Kimikaren eta bertze jakintza arloen arteko harremana. Iturria: Matematika eta kimika, beharrezko harremana.

Gauzak, ordea, aldatuz hasi ziren 1970ko hamarkadatik aurrera. Konputagailu eta ordenagailuen garapena izan zen aldaketa horren eragile nagusia. Ordenagailuak bikainak dira problema matematikoak ebazteko. Informatikaren bitartez, Kimika Kuantikoaren ekuazioak programatu eta ordenagailuek ebazten zituzten ekuazioak! Honek abantaila handiak ekarri zituen. Alde batetik, kalkuluak asko azkartzen ziren, eta bestaldetik, ordenagailuek problema konplexuagoak ebazten ahal zituzten. Honek Kimika Konputazionalaren jaiotza ekarri zuen. Hiru hankako mahaia osatzen du Kimika Konputazionalak, 2. irudian ikus daitekeen moduan.

2. irudia: Kimika Konputazionala.

2. irudia: Kimika Konputazionala.

Hortaz, teknologiari esker (ordenagailuei esker) kimika kuantikoak gorakada nabarmena egin zuen. Lan neketsuena ordenagailuek egiten dutenez, konplexutasun handiagoko metodo kimikokuantikoak garatu ziren, eta horrela emaitza zehatzagoak lortzen hasi ziren. Horretaz gain, kalkulatutako molekulak gero eta handiagoak ziren. Honen ondorioz, kimika konputazionala atomo gutxiz osatutako molekuletatik, milaka atomoz osatutako sistemetan aplikatzera iritsi zen, 3. irudian ikus daitekeen moduan.

3. irudia: kimika konputazionala atomo gutxiz osatutako molekuletatik, milaka atomoz osatutako sistemetan aplikatzera iritsi zen.

3. irudia: Kimika konputazionala atomo gutxiz osatutako molekuletatik, milaka atomoz osatutako sistemetan aplikatzera iritsi zen.

Gaur egun, konputazionalki aztertu daitezkeen sistemak milaka atomoz osaturik egon daitezke. Hau dela medio, Kimika Teoriko eta Konputazionala baliagarria da Kimika Esperimentalak azter ditzakeen antzeko problemak ebazteko. Esperimentuen emaitzak ulertzeko eta arrazionalizatzeko tresna oso erabilgarria da Kimika Konputazionala, eta duela urte batzuk ezinezkoa zirudien esparru askotan erabilgarria da, material berrien eta farmako berrien diseinuan, adibidez. 1. Irudia buruan izanda, Kimika Konputazionala Kimika esperimentalaren antzeko loturak sortu ditu, biologiarekin, materialen zientziarekin, medikuntzarekin… eta abar. Honek aurrerapauso nabarmenak ekarri ditu jakintza arlo hauen garapenean. Garrantzi honen adierazgarri bi adibide emanen ditugu (asko daude): alde batetik, 1998. eta 2013. urteetan, Kimikako Nobel saridunak jakintza arlo desberdinetan aplika daitezkeen metodo kimikokuantikoak garatu dituzten batzuei eman zieten. Zehazki, John A Pople eta Walter Kohni 1998. urtean, eta Martin Karplus, Michael Levitt eta Arieh Warsheli 2013. urtean. Bestalde, esperimentalki aski ezagunak diren in vitro eta in vivo emaitzei, in silico adierazpidea gehitu zaie, ordenagailuetan egindako simulazioei erreferentzia egiteko. Gaur egun, hortaz, farmako baten garapenak hiru etapa horiek ezagutu ditzake, in silico, in vitro eta in vivo. Honen garrantzia dela eta, zalantzarik gabe esan dezakegu XXI. mendeko kimikako laborategi askok ondorengo itxura izanen dutela:

4. irudia: Arina, UPV/EHUko Superkonputagailua.

4. irudia: Arina, UPV/EHUko Superordenagailua.

Kimika Konputazionalak aurresate-ahalmen handia du, eta oso lagungarria da esperimentu, material, farmako berrien nondik norakoak bideratzeko. Sorta honen lau artikulu hauetan ikusi dugu Kimika iraganean batez ere esperimentala izan dela, baina hemendik aurrera, teoriaren pisua gero eta handiagoa izanen da. Orain bai, orain izenburuan agertzen den galdera erantzuteko gai bagara: Gaur egungo Kimika, Esperimentala? Ez, gaur egungo kimika, Esperimentala eta Teorikoa da.

—————————————————–

Egileaz: Jon Mattin Matxain (@TxoniMatxain), EHUko Kimika Fakultateko eta Donostia International Physics Center DIPCko ikertzailea da, eta “Nola ikasi kimika kuantikoa izutu gabe” blogaren egilea.

—————————————————–

Iruzkin 1

Eman iritzia

Zientzia KaieraZientzia Kaiera

Jon Mattin Matxainek (@TxoniMatxain), EHUko Kimika Fakultateko eta Donostia International Physics Center DIPCko ikertzaileak “Gaur egungo kimika, esperimentala?” artikulu-sortari amaiera ematen dio IV. atalarekin.
Artikuluen bidez kimikaren historia hurreratu digu:

Gaurko kimikaren hastapenekin hasi zen.

Gerora, hiztegi berriei ekin zion,non arloan sortutako kontzeptu eta hitz berrien nondik norakoak azaldu zituen: uhin-funtzioa, probabilitatea, uhin/partikula dualtasuna, elektroiaren deslokalizazioa, ziurgabetasun printzipioa, orbitalak, eta abar.

Hirugarren artikuluan Kimika Kuantikoaren jaiotzaz eta bere lehenengo hamarkadetan egindako bilakaeraz jardun zuen.

—————————————————–

Eman iritzia

You may use these HTML tags and attributes: <a href="" title=""> <abbr title=""> <acronym title=""> <b> <blockquote cite=""> <cite> <code> <del datetime=""> <em> <i> <q cite=""> <s> <strike> <strong>