Novákoviny

Ve středu oznámila Švédská královská akademie věd laureáty poslední letošní Nobelovy ceny z přírodovědeckých oborů. Za přínos chemii ocenění dostali Martin Karpius, Michael Levitt a Arieh Warshel za vývoj víceúrovňového modelování složitých chemických systémů. Jejich práce umožní lépe pochopit a také v praxi využít procesy, které se odehrávají při komplikovaných chemických reakcích.

Jednoduchý náčrtek řekne víc než stovky slov, prostorový model naznačí víc než obrázek. S chemickými modely se proto setkal každý už na základní škole - ano, to jsou ty barevné kuličky pospojované špejlemi, například voda ze dvou koulí znázorňujících vodík a jedné předstírající, že je kyslík. Lze tak vytvářet prostorové obrazy molekul nebo krystalů, díky nimž aspoň přibližnou představu o stavbě hmoty získali i ti nejnatvrdlejší žáci. Dneska už ale k vytváření prostorových modelů nemusíte mít koule a špejle, protože 3D obrazce (včetně molekul), jimiž lze libovolně otáčet umí i počítače – na internetu jich lze najít velké množství.  

V trojrozměrném prostoru je možné simulovat nejen samotnou podobu molekul, ale i to, jak se mění během reakcí s jinými molekulami. To je nejen efektní, ale někdy i zcela nezbytné. U složitých dějů totiž mají s představami o tom, co se při nich děje, problém i specializovaní odborníci. Pak tedy musí přijít na pomoc výkonné počítače – a především lidí, kteří pro ně připraví programy věrně zrcadlící děje ve světě atomů a molekul. Bez počítačových modelů by dnes chemický výzkum i jeho uplatnění v praxi vůbec nebyly možné. Ocenění vědci položili na počátku 70. let minulého století základy počítačového modelování těchto procesů.

Pohled pod povrch

Z hodin chemie si asi většina žáků odnesla představu, že chemické reakce jsou záležitostí molekul a atomů: v jedné kombinaci do nich vstupují, v jiné z nich vycházejí.

Ve skutečnosti ale při tom probíhají nesmírně komplikované děje na mnohem nižší úrovni, které se  týkají  především elektronů v atomech. Během zlomků vteřiny mění své dráhy nebo přeskakují mezi atomy – a přitom se uplatňují jevy kvantové mechaniky, s nimiž ale „klasická“ chemie donedávna  nepočítala. Jevy, které jsou dodnes pro většinu smrtelníků za hranicí toho, čemu se říká zdravý rozum: umožňují například aby něco bylo na dvou místech současně.  

Chemické děje jsou  také mnohem složitější, než to při pohledu na jednoduché chemické rovnice vypadá. Například katalyzátory se podle rovnic známých ze školních hodin chemie  reakcí zdánlivě nezúčastňují  – což ale není pravda.

Ve skutečnosti během reakce mění, ale na jejím konci zase získávají původní podobu. Teprve, když pochopíme, co se při tom děje, můžeme proces vylepšovat, zlevňovat chemickou výrobu, získávat snadno látky, které se dosud vyráběly draze a složitě. Podobně je tomu i s mnoha dalšími reakcemi.  

Ještě více to vynikne, když si přitom ještě představíme biochemické děje, které jsou mnohem složitější. Například základní rovnice fotosyntézy je velmi jednoduchá: vstupuje do ní voda a oxid uhličitý, na druhém konci je kyslík a organické sloučeniny.

Jenže taková rovnice je prakticky k ničemu. Jen naznačuje, že za pomoci světla je možné získat lacinou energii – ale neříká, jak. Teprve detailní pochopení úplně všech pochodů: otevírá například cestu k levné  výrobě elektřiny za slunečního záření. 

 Brána do světa za zrcadlem

 To jsou jen velmi zjednodušené příklady, proč chemické reakce nejsou tak jednoduché, jak se mohou na první pohled zdát. Přitom teprve poznáním a pochopením všech těchto jevů na nižší úrovni je možné se v chemii pohnout dopředu. Problém ovšem je, že  jsou velmi komplikované, probíhá jich mnoho najednou a ve velmi krátkých časových úsecích.. Když bychom přitom ještě chtěli zahrnout také kvantové děje, pak je zřejmé, že klasickými metodami je to nemožné.  Bez výkonných počítačů a počítačových modelů se proto dnes chemie vůbec neobejde.

Dlouho se zdálo, že přísný svět přesných chemických rovnic vyplývající z osvědčené Newtonovy mechaniky a  neurčitý svět kvantové mechaniky zdánlivě odporujících racionálnímu myšlení se navzájem vylučují. Roku 1970 ale   Martin Karplus se svým týmem na Harvardu vytvořil počítačový program, který simuloval chemické reakce s využitím poznatků kvantové mechaniky. Vyvinul také rovnici (dnes se jí říká Karplusova,), která popisuje kvantové vlastnosti molekul pomocí magnetické resonance.

V té době nastoupil na Harvard Arieh Warshel , který se zabýval (zjednodušeně řečeno) silami působícími uvnitř molekul a mezi nimi. Společně s Karplusem sestavili počítačový program, který dokázal zobrazit vzájemné působení mezi jednoduššími molekulami. Výsledky prokázaly, že metody kombinují klasickou chemii s kvantovým přístupem posunují chemii kupředu. Roku 1976 pak Arieh Warshel a Michael Levitt zveřejnili odbornou publikaci o chování elektronů, která kombinovala klasický a kvantový přístup. Všichni tři – obrazně řečeno – tak postavili bránu mezi starým světem Isaaca Newtona a  bizarní říší kvantových jevů připomínající svět Alenky v říši za zrcadlem.    

Prostorové modelování chemických jevů udělalo z počítačů univerzální chemický nástroj, který je dnes stejně důležitý jako zkumavky a destilační kolony – umožní například zkoumat chemické reakce „nenečisto“ a teprve na základě výsledků modelování ty nejnadějnější metody ověřit skutečnými pokusy.. Vedle teoretického výzkumu nabízí i celou řadu uplatnění v praxi. Může například hledat účinnější postupy v chemickém průmyslu, sledovat biologicky aktivní látek v lidském těle, usnadnit vývoj nových léků, stejně jako pomáhat při  sestavování fotočlánků pro účinnější solární panely.

- - - 

Martin Karplus

 Narodil se 15. března 1930 ve Vídni. Vystudoval Harvard a Kalifornský technologický institut, kde pracoval s Linusem Pauligem, nositelem Nobelovy ceny za chemii. Má rakouské i americké občanství. Jeho vědecké práce se týkají hlavně magnetické resonance, kvantové chemie a biochemie.                    

Michael Levitt

 Narodil se 9. května 1947 v jihoafrické Pretorii, má i občanství Izraele. Studoval na King´s College v Londýně, titul PhD. Získal roku 1972 v Cambridge za práci o využití počítačů v biologii. V současnosti  působí jako profesor strukturální biologie na kalifornské Stanford University

Arieh Warshel

 Narodil se 20. listopadu 1940. v izraelském kibucu Sde Nahum. Po službě v izraelské armádě vystudoval Izraelský institut technologie (Technion) v Haifě a na dalších univerzitách včetně Harvardu. Zabývá se především využitím počítačových metod při simulaci funkcí biologických systémů.

Jan A. Novák

Psáno pro Hospodářské noviny

You have no rights to post comments