Ugrás a tartalomhoz

A kvantumkémia alapjai és alkalmazása

Veszprémi Tamás, Fehér Miklós

Educatio Társadalmi Szolgáltató Nonprofit Kft.

Bevezetés

Bevezetés

Az emberi gondolkodásmód lélegzetelállító változásainak vagyunk szemtanúi. Bár az első számítógépek alig fél évszázada jelentek meg, mára teljesen megváltoztatták az életünket. A tudomány más területeihez hasonlóan a számítástechnika természetesen a kémiára is óriási hatást gyakorolt. A számítógép nem csupán a korábban manuálisan végzett tevékenységek, például a modellkészítés és a szemléltetés, szabályozás és irányítás eszközeként használható, hanem a kémia teljesen új megközelítését is lehetővé teszi: a számításos kémiát. Ez a könyv a számításos kémia egyik legfőbb ágába, a kvantumkémiába kívánja bevezetni az olvasót.

A kvantumkémia a kvantummechanika törvényeit alkalmazza kémiai rendszerekre. Az első lépést ezen a téren Heitler és London 1927-ben megjelent, a hidrogénmolekuláról szóló cikke jelenti. A tudomány forradalmi, viharosan fejlődő szakasza a 30-as, 40-es és az 50-es évekre esik, ebben az időszakban dolgozták ki a legfontosabb módszereket és alapelveket, melyek a mai kvantumkémia gerincét adják. A fejlődés, ha nem is annyira dinamikus, de azóta is töretlen.

A kvantumkémia legfontosabb jellegzetessége, hogy alapjaiban támaszkodik a számítógépre: rendkívüli számításigénye mind nagyobb s gyorsabb gépeket követel. Ebből következik az is hogy a fejlettség egy adott szintje egyértelműen meghatározza az elmélet alkalmazhatóságát, hiszen hiába létezik egy algoritmus, ha felhasználása technikailag lehetetlen. Az 50-es évek végére a ma használatos kvantumkémiai elvek tekintélyes részét ismerték, felhasználni azonban csak áttételesen, egy sor közbeiktatott elhanyagoláson, közelítésen keresztül volt lehetséges. Csoda, hogy még így is működőképes maradt, és számos kémiai alapelv és jelenség elméleti hátterét adta! A nyolcvanas években feltűntek a színen a már precíz számításokat lehetővé tevő szuperkomputerek és bebizonyosult, hogy a kvantumkémia nem csupán kvalitatív válaszokat tud adni, hanem fizikai és fizikokémiai tulajdonságok pontos megállapítására is alkalmas. A szuperkomputerek azonban nagyon drágák voltak, ezért csak kevés kutatócsoportnak volt lehetősége ilyen számításokra, és így az eredmények is csak elszigetelt körben váltak ismertté. A kilencvenes években forradalmi változást hozott a nagy teljesítményű munkaállomások megjelenése. Ezek teljesítménye nem éri el a szuperkomputerekét, de elég nagy a magas szintű kvantumkémiai számításokhoz. Amíg azonban egy szuperkomputer egy egész intézmény számítástechnikai hátterét biztosítja (és ez mindig sorállást jelent), addig a munkaállomások olyan olcsók, hogy mindenki számára elérhetők. A számítások processzor ideje ugyan jóval hosszabb, mint egy nagy szupergépen, de az effektív számítási idő mégis általában rövidebb. Ezáltal a kvantumkémia magas szintű módszerei és kvantitatív eredményei mindenki számára hozzáférhetővé váltak. A hardverrel párhuzamosan új, felhasználóbarát kvantumkémiai programcsomagokat is kifejlesztettek. Nincs akadálya tehát, hogy mindazok használják, akiknek szükségük van rá.

A tudományág előtérbe kerülését és fontosságát mutatja az is, hogy az 1998-as kémiai Nobel-díjat kvantumkémiával foglalkozó szakembereknek ítélték. John Pople legfőbb érdeme az, hogy a kvantumkémia eszközeit mindenki számára hozzáférhetővé tette, Walter Kohn pedig a ma már rendkívül népszerű sűrűségfunkcionál elmélet kidolgozásáért érdemelte ki a díjat. A Nobel-bizottság Dirac 1929-es szavait idézte ajánlásában: ,,Azok az alapvető törvények, amelyek a fizika nagy részének és a kémia egészének leírásához szükségesek, ma már mind ismertek, a nehézség csupán abban rejlik, hogy a törvények alkalmazása megoldhatatlanul komplex egyenletekhez vezet.” Az azóta történt fejlődés optimizmusra ad okot. A Nobel-bizottság szavaival élve: ,,A kvantumkémia mára érett tudománnyá lett, amely a kémia egészére hatással van. Az elmélet a kísérleti kémiával kéz a kézben munkálkodik az anyag tulajdonságainak megismerésén.”

Könyvünk gyakorlati példák segítségével kísérli meg bemutatni a kvantumkémia sokoldalúságát. Látni fogjuk, hogy alkalmazható molekulák szerkezetének megállapítására, spektroszkopiai tulajdonságok kiszámítására, kémiai reakciók mechanizmusának megértésére vagy a reakció termékeinek jellemzésére. Segíthet új molekulák szintézisének megtervezésében vagy egy újonnan bevezetett szubsztituens hatásának megállapításában. Mindez azt bizonyítja, hogy mára a kvantumkémia a fizikai-kémiai módszerek egyenrangú partnerévé, a gyakorló vegyész fontos munkaeszközévé vált.

A rendkívül gyors fejlődés, és persze a precíz és komoly matematikán alapuló elmélet sajnos sokakat elriaszt. Pedig viszonylag kis munka befektetésével szinte új világot tárulhat a vállalkozó szellemű ,,turista” elé. Könyvünkkel ezt a világot szeretnénk bemutatni és népszerűsíteni. Munkánkkal elsősorban azokhoz az egyetemi hallgatókhoz és gyakorló kémikusokhoz szólunk, akik szívesen alkalmaznák a gazdag kvantumkémiai szakirodalom eredményeit, de bizonytalanok, mert nem tudják, hogyan közelítsék meg a témát, és hogy segítségével milyen információhoz juthatnak.

A tárgyalt anyag megértéséhez nem szükséges magas szintű matematikai vagy fizikai előképzettség, a könyv a műegyetemek és tudományegyetemek alsóbb évfolyamainak szintjéhez igazodik. Azt mondják, minél több egy könyvben a matematikai képlet, annál riasztóbb az olvasók számára. Minthogy célunk nem az olvasók elriasztása volt, igyekeztünk a képletek számát a minimumra csökkenteni, a magyarázatokat pedig a lehető legjobban leegyszerűsíteni. Ugyanakkor a tárgyalás logikája sokszor megkívánja a mélyebb, precízebb elméleteket és bizonyításokat. Az egymással szemben álló követelményeknek úgy próbáltunk megfelelni, hogy a szövegben csak az elmélet legfontosabb lépéseit hagytuk meg, a részleteket és az adott gondolatmenetbe nem teljesen belevágó, ám érdekes információkat pedig az egyes fejezetek végén, a ,,megjegyzések” rovatba gyűjtöttük össze. Az olvasó, ha csak nagy vonalakban szeretné megismerni a témát, átugorhatja a jegyzeteket anélkül, hogy ez gátolná a gondolatmenet megértésében. A matematikában kevésbé jártas olvasók további segítségért folyamodhatnak a Függelékhez, melyben megtalálhatók a lineáris algebra alapjai.

A könyv két fő részből áll össze. Az első rész áttekintést nyújt a modern kvantumkémia alapelveiről és megpróbálja az e területen kevés háttértudással rendelkezőket megismertetni a publikációkban gyakran előforduló szakkifejezésekkel és értelmükkel. Célunk a kvantumkémiába való szisztematikus bevezetéssel párhuzamosan számos alapvető kémiai fogalom fizikai eredetének megvilágítása. Bemutatjuk a kémiában ma használatos legfontosabb modellek elméleti alapját, alkalmazhatóságát, és korlátait. A csoportelméletnek külön fejezetet szenteltünk, mert úgy véltük, ez megkönnyítheti néhány bonyolultabb fogalom megértését.

A könyv második része az elvek alkalmazásával foglalkozik, és példákon mutatja be a fontos mennyiségek és tulajdonságok kiszámítását. A legújabb kvantumkémiai szakirodalomból gondosan válogatott példák olyan valós kémiai problémákkal ismertetik meg az olvasót, amelyeknél a megoldás kulcsát a kvantumkémia adja a kezünkbe. A könnyebb érthetőség érdekében tárgyalásunk módja gyakran az eredeti cikknél egyszerűbb, és nem adunk mélységekbe menő leírást a módszerekről és algoritmusokról. Két tucat tanulmány kiválasztása a releváns írások ezrei közül nehéz feladat, és bármilyen válogatás szükségszerűen önkényes. Olyan nemrégiben megjelent cikkeket kerestünk, amelyek jól illenek a fentebb tárgyalt koncepcióba. Ezek nem mindig a témával foglalkozó legjobb írások, és nem is mindig azok, amelyek az adott problémát eredetileg felvetették. Érvelésük viszont tiszta és eléggé egyszerű ahhoz, hogy a kezdő is láthassa az alkalmazott módszerek előnyeit és buktatót.

Az első részben az elméleti fejtegetések fontos részeit illusztráló hivatkozások kiválasztása éppilyen önkényes volt. Megpróbáltuk egyfelől azt a két-három tanulmányt idézni, amelyek a legnagyobb hatással voltak a területen, másfelől pedig olyanokat, amelyek a megfelelő szinten, világosan magyarázzák el az elveket. Így gyakran az olvasmányosabb cikkeket részesítettük előnyben azokkal szemben, amelyek ugyan mélyebben hatolnak a témába, de nehezebben követhetők. Végül ajánlunk néhány könyvet, amelyekből az érdeklődők mélyebb tudásra tehetnek szert egy-egy szűkebb területen. Ezt a válogatást kiegészítendő a 4. Függelékben teljesebb listát közlünk a kvantumkémiával foglalkozó legújabb könyvekről. A listán nincsenek sem népszerűsítő munkák, sem specializált magas szintű monográfiák. Őszintén reméljük, hogy a gondosan válogatott irodalomjegyzék elmélyíti az e könyvből megismert elvek megértését.

A könyv magyar kiadása az angol eredeti némileg módosított és javított változata. Új ponttal egészítettük ki a 8. fejezetet, kibővítettünk, vagy újrafogalmaztunk néhány nehezebben érthető részt, és igyekeztünk a könyvben is követni a kvantumkémia tudományának elmúlt kétéves fejlődését. Természetesen egy könyv sohasem lehet hibátlan. A szerzők hálásan fogadják minden olvasó véleményét és kritikáját. Könyvünk elérte célját, ha ösztönzi az olvasót a kvantumkémiai szakirodalom és számítások alkalmazására akár ötlet- és ihletforrásként, akár pedig a mindennapi munkájuk során használt segítségként.

Szeretnénk köszönetünket kifejezni azoknak a kitűnő kollégáknak és barátoknak, akik kritikáikkal és ötleteikkel segítették munkánkat: Dr. Ed P. F. Leenek, Dr. Pongor Gábornak és Dr. Csonka Gábornak. Hálával tartozunk azoknak a szerzőknek és jogtulajdonosoknak, akik hozzájárultak, hogy illusztrációikat felhasználjuk. Köszönjük Rainer Herges professzornak, Dr. Kovács Attilának, José M. Lluch professzornak, A. Gonzáles-Lafont professzornak, Dr. Perczel Andrásnak, Walter Thiel professzornak és Dr. Turi Lászlónak a szíves segítséget. Hálásak vagyunk Hajgató Balázsnak, aki az ábrák nagy részét rajzolta, Oláh Júliának és Veszprémi Nórának a könyv magyar fordításában és ellenőrzésében nyújtott segítségért.

2000 decembere

Veszprémi Tamás

Fehér Miklós