Előfizetés a lapra

Energiaszintek szigetei és hálózatai

A hét kutatója, fizikai kémia, hálózatelmélet, interjú, kémia, klíma, színképelemzés

2017/08/28

Vannak-e a Földön kívüli életnek általunk észlelhető jelei? Hogyan tudjuk megérteni a földi klíma múltbéli és jövőbeni változásait? Ezen és hasonlóan alapvető fontosságú természettudományos kérdések megválaszolásában nélkülözhetetlenek a színképek. A színképelemzést kapcsolta össze a hálózatelmélettel Császár Attila, az elméleti kémia egyik nemzetközileg is elismert, kiemelkedő kutatója, az MTA–ELTE Komplex Kémiai Rendszerek Kutatócsoport vezetője, aki idén március 15-én vette át a Parlamentben a Széchenyi-díjat.

– Hogyan indult a tudományos pályája? Hogyan jutott el mostani kutatási témájához?

– Már gyerekkoromban is leginkább a matematika- és a kémiaórák kötöttek le. Eleinte érdekesebbnek tartottam a matematikát, aztán változott az érdeklődésem. Az egyetem megkezdése óta a matematikai módszerek kémiai alkalmazási lehetőségeivel foglalkozom. Ezt a tudományterületet fizikai, illetve elméleti kémiának nevezzük. Kvantumkémikusnak vallom magamat: a kvantumkémikusok a természettudomány utolsó nagy paradigmaváltását megjelenítő kvantummechanika kémiai alkalmazási lehetőségeivel foglalkoznak. A kvantumkémiának két fő ága van: az egyik az elektronok, a másik a magok mozgásával foglalkozik. Én mind a két területen dolgozom, bár az utóbbi 10-15 évben inkább a magok mozgásának vizsgálatát részesítem előnyben.

– Hazai munkája mellett irányít egy nemzetközi kutatási konzorciumot. Itt min dolgoznak?

– A COST (Európai Együttműködés a Tudomány és Technológia Területén) Molekulák mozgásban című programját vezetem. Itt a mozgás azt jelenti, hogy a molekulát alkotó atommagok mozognak: klasszikus értelemben rezegnek, illetve forognak. A rezgő- és forgómozgások határozzák meg a molekulák színképét, más néven spektrumát, amit rendkívül különböző körülmények között lehet észlelni, illetve mérni. A színképek részletes tanulmányozása mintegy 200 éves múltra tekint vissza. Részletes vizsgálatuk eredményezte kémiai tudásunk jelentős részét. Ugyanakkor az észlelések érdemi értelmezése csak a kvantummechanika „felfedezése”, a kvantumkémia kialakulása után kezdődhetett meg.

– Egy friss kutatásuk eredménye pár hete a Physical Chemistry Chemical Physics folyóirat címlapjára került. Miről szól a lapban közölt cikkük?

– Egy különleges kémiai rendszer, az ArNO+ molekula kapcsán vizsgáltunk egy érdekes jelenséget: molekulák disszociációs határon túli viselkedését. Az ArNO+ molekulában egy nemesgáz, az argon egy atomja lazán kötődik a nitrogén-oxid kationhoz, így a disszociáció, a molekula szétesése alacsony energiánál lép fel. Ugyanakkor számításainkkal ezen energiának a sokszorosánál is találtunk nagyszámú stabilnak tekinthető rezgési-forgási állapotot. Ez azt jelenti, hogy hiába rendelkezik nagy energiával a molekula, akkor sem történik meg a disszociáció. Tehát olyan állapotok létét jósoltuk meg, melyek mintegy stabilitási szigeteket képeznek a disszociációs határ fölött amúgy jellemző folytonos állapotok sokaságában. Persze ezek elméleti számítások, a konkrét mérések még nem történtek meg. Az ilyen stabil állapotokat jelenítettük meg szigetek, az őket jellemző hullámfüggvényeket pedig hegycsúcsok formájában egy ábrán – eredményeinknek ez az illusztrációja jelent meg a folyóirat címlapján.

– Ön kidolgozta a hálózatelmélet és a nagy felbontású molekulaspektroszkópia kapcsolatát. Egy másik közleményükben, amely szintén címlapot kapott 2016 végén, ez a kapcsolat igen hangsúlyos. Első hangzásra nehéz elképzelni, hogy hogyan kapcsolódik a színképekhez a hálózatos megközelítés.

– A hétköznapok, a makrovilág objektumainál tapasztaltakkal ellentétben a molekulák diszkrét energiaszintekkel rendelkeznek. Tehát míg a valós életben sok minden folytonos, a kvantummechanika segítségével leírt mikrovilágban sok minden diszkrét, például az energiaszintek. Talán a számok példáján lehet bemutatni szemléletesen a „diszkrétség” fogalmát. Az egész számok – 1, 2, 3 stb. – diszkrétek, míg a racionális számok – 1,111; 1,112; 1,113 – folytonosak. Visszatérve az energiaszintekre: ezek között lépegethet a rendszer, ha valamiféle elektromágneses sugárzás éri. Ez a sugárzás lehet a mikrohullámú vagy az infravörös tartományban, ezek a hétköznapokból is ismertek. Tehát a sugárzás-anyag kölcsönhatása átmeneteket vált ki a diszkrét energiaállapotok között. Ezek az átmenetek észlelhetők a mért színképben. Természetesen amikor valaki megméri a színképet, akkor egy egyszerű fekete-fehér „grafikont” kap, tehát se színek, se számok nem fognak megjelenni, ennyire nem nagyvonalú a természet, próbálja rejtegetni titkait! Kvantumkémiai számítások kellenek ahhoz, hogy az említett ábrán látható színezés, illetve azok a kvantumszámok, amik feliratként szerepelnek, megjelenjenek.

 Összekapcsolva a számítások eredményeit a mért színképpel, nem csupán a mérést tudjuk értelmezni, hanem az a következtetés is levonható, hogy a kapott színképnek egy hálózat feleltethető meg: az energiaszintek a hálózat „pontjai”, azaz csúcsai, míg a színképben mért átmenetek az „összekötő vonalak”, azaz az élek. Így keletkeznek a spektroszkópiai hálózatok. Ezt a fogalmat csoportunk vezette be a spektroszkópiába.

– Amiről eddig beszéltünk, az alapkutatás. A gyakorlatban hogyan tudják hasznosítani az eredményeiket?

– Alapkutatónak tartom magam, tehát főként alapkutatási eredményeink vannak. De a hazai kvantumkémia iskola, melynek két további képviselőjével, Fogarasi Gézával és Szalay Péterrel együtt kaptuk meg a Széchenyi-díjat, mindig is nagy hangsúlyt helyezett arra, hogy az elméleti, alapkutatási eredményeknek legyen gyakorlati haszna. Az egyik ilyen gyakorlati haszon a kísérleti adatokat tartalmazó spektroszkópiai adatbázisokhoz kapcsolható. Ezeket az adatbázisokat használják tudósok, mérnökök és modellezők különböző gyakorlati feladatok megoldásakor. Az általunk kidolgozott számítási algoritmusok, valamint az ezekre épülő számítógépes programok eredményeinek segítségével ellenőrizni lehet például, hogy ezekben az adatbázisokban valóban helyes adatok szerepelnek-e. Ez azért különösen érdekes kérdés, mert legtöbben a nagy felbontású molekulaspektroszkópiát a lehető legpontosabb mérési lehetőségnek tekintik.

 Stabilitási szigetek az ArNO+ molekula disszociációs határ fölötti, folytonos állapotainak tengerében (az illusztráció a Phys. Chem. Chem. Phys. folyóirat 2017. márc. 28-i számának címlapján jelent meg.) (UTÁNKÖZÖLVE A PCCP OWNER SOCIETIES ENGEDÉLYE NYOMÁN)

Ugyanakkor számításainkkal viszonylag sok esetben találtunk inkorrekt vagy pontatlan adatokat. Meg tudjuk mondani, hogy a valós mérési adatok közül melyik helyes, és melyik nem. Azt is ki tudjuk számolni, hogy miképpen lehet korrigálni az adatbázisban megjelenő adatokat. Emellett a spektroszkópiai hálózatok elmélete alapján további méréseket lehet tervezni, meg lehet mondani, hogy melyik lenne az a legjobb mérés, amivel ellenőrizni, illetve bővíteni lehetne az adatbázist.

 Mint említettem, a spektroszkópiai adatoknak igen széleskörű a felhasználása. Amikor valaki az élet nyomai után kutat a világűrben, például földi teleszkópokkal, és az onnan jövő jeleket próbálja értelmezni, ezeket az adatokat is használja. Ha a földi légkör, az üvegházhatás, a légköri sugárzási egyensúly, vagy a klímaváltozás tudományos hátterét próbáljuk megérteni, úgy szintén ezekhez az adatokhoz nyúlunk. De az égési jelenségekkel foglalkozó mérnökök, vagy az erdőtüzek terjedését műholdak segítségével figyelők számára is nélkülözhetetlenek a pontos és megbízható spektroszkópiai adatok. Jó kapcsolatot sikerült kialakítanunk az adatbázisokat készítő és fenntartó kutatókkal; a fejlesztéseink és a számításaink eredményeit ők is felhasználják. Korábban az IUPAC (International Union of Pure and Applied Chemistry, a kémikusok legnagyobb nemzetközi szervezete) is támogatta ezirányú kutatásainkat. A tématerületen elért eredményeink részét képezik a világ legnagyobb spektroszkópiai információs rendszerének, a Harvard–Smithsonian által gondozott HITRAN (high-resolution transmission molecular absorption database) adatbázisnak. A HITRAN-adatbázis legfrissebb verziója (egy több mint 150 oldalas cikk formájában) nemsokára nyilvánosságra fog kerülni.

BAJOMI BÁLINT

2017/16