Hogyan játszódnak le a kémiai reakciók atomi szinten? Miként bomlanak föl régi és alakulnak ki új kémiai kötések? Az elméleti kémia miként segítheti a kísérleti tudományokat? E kérdésekre válaszol a Nature Chemistry szaklapban 2021. augusztus 9-én online közzétett cikk, amely az elméleti kémikus Czakó Gábornak, az SZTE Fizikai Kémiai és Anyagtudományi Tanszék egyetemi docensének, valamint két doktoranduszának – Tajti Viktor és Győri Tibor , illetve az Innsbrucki Egyetem néhány kutatójának közös munkája.

A Nature Chemistry szegedi szerzői - Czakó Gábor (előtérben), valamint a két PhD-hallgató: Tajti Viktor (balról) és Győri Tibor.

9 ATOM, 2 REAKCIÓÚT, 4 TERMÉK

– Fontos, hogy minden atom mozgását követni tudjuk egy kémiai reakcióban. A reakciódinamikai vizsgálatok a ’70-es években még csak háromatomos rendszerekre tértek ki. Évtizedenként egy-egy atommal bővült a pontos számítógépes módszerekkel vizsgálható rendszerek nagyságrendje. A tudomány előrelépése a 2010-es évekre vitte el az emberiséget oda, hogy hat atomból álló rendszerek is nagy pontossággal szimulálhatók. Ilyeneket a Nature Chemistry folyóiratban 2016-ban és 2017-ben már közöltünk – emlékeztetett Czakó Gábor. Az elméleti kémikus által korábban vizsgált klóratom és metán reakciója, illetve a fluoridion és a metil-klorid reakciója is hatatomos rendszerbeli mozgás.

2021-re jutott el a tudomány oda, hogy az elméleti kémikusok már 9 atomból álló összetett rendszerbe is „belelátnak” nagy pontosságú számításaikkal.

A Szegedi Tudományegyetem Fizikai Kémiai és Anyagtudományi Tanszékének elméleti kémikusa, Czakó Gábor és az irányításával dolgozó team kísérleti partnere évek óta az Insbrucki Egyetem Ionfizikai és Alkalmazott Fizikai Intézetben a Roland Wester által vezetett Molekuláris Rendszerek csoport. Például Czakó első Nature Chemistry cikke is e csoporttal közösen készült. Követi és segíti egymás munkáját a két csapat. Így merült föl az ötlet: 9 atomos rendszerre végezzenek vizsgálatokat Szegeden számítógépes szimulációval, Innsbruckban pedig a laboratóriumban.

– A fluoridion és az etil-klorid reakciója alapvető szerves kémiai folyamat. Ez a reakció akár még ennél is nagyobb rendszerek modelljének tekinthető – hívta föl a figyelmet Czakó Gábor. – Előrelépést jelent az analóg, hat atomból álló rendszerhez képest, hogy itt két, egymással versengő reakcióút, reakciócsatorna figyelhető meg. Az egyik a szubsztitúciós, azaz a helyettesítéses reakcióút, ahol a fluoridion helyettesíti a kloridiont. A másik az eliminációs reakcióút, amikor a fluorid helyettesíti a kloridiont, de egy hidrogén-fluorid molekula is kihasad a termékből, vagyis három termék keletkezik. A tudomány régi kérdése, hogy az egymással versengő két csatorna közül melyik lesz a nyertes, illetve mindez atomi szinten miként játszódik le.

KÍSÉRLET KONTRA SZÁMOLÁS

– Megérthetjük-e a bonyolult molekuláris rendszerek kölcsönhatásait? Erre a kérdésre választ keresve egyedülálló kísérleti technikákat dolgozott ki az Innsbrucki Egyetem Wester-csoportja. De még ezzel a modern technikával sem tudják megkülönböztetni a fluoridion és az etil-klorid találkozásának kétféle reakcióútját, mivel a végeredmény mindkét esetben ugyanaz: kloridion képződik. Ez az a töltött részecske, amit kísérletileg tudnak detektálni, észlelni – magyarázta Czakó Gábor.

Tehát Innsbruckban a mérési eredményeikből nem tudták megmondani, hogy melyik csatorna dominál, vagyis melyik csatornán keresztül játszódik le a 9 atomot érintő kémiai reakció. Itt jött képbe az SZTE elméleti kémikusai által fölépített szimuláció, mert számolással egyértelműen megmutatható, mi történik az atomok ütközésekor.

– Nem tudják megkülönböztetni, mert a kétféle reakció összegét látják – tette hozzá Győri Tibor PhD-hallgató. – Ezt a „számot” Innsbruckban nem tudják két részre bontani. Ezzel szemben a mi szimulációnk képes a reakcióutak részleteit is megmutatni. Ez az elméleti kémia előnye.

Az elméleti kémiára némelyek ferde szemmel néznek, mert a vegyészetet kísérleti tudománynak tartják. Arról azonban megfeledkeznek, hogy a XXI. században a kísérleti eszközök közé emelkedett a számítógép is.

– Elméleti támogatás és hozzájárulás nélkül, önmagában a kísérleti adatok manapság már sokszor nem is publikálhatók. Az elméleti számítások sokat hozzátesznek a kísérleti eredményekhez – fogalmazott a szegedi csapat vezetője.

MUNKAMEGOSZTÁS MESTER ÉS TANÍTVÁNYAI KÖZÖTT

Szimulációt nem tud akárki készíteni. Igaz, az SZTE Fizikai Kémiai és Anyagtudományi Tanszéken már adott a számítógépes kapacitás, köszönhetően a Czakó Gábor által elnyert MTA Lendület program támogatásának.

Az SZTE Fizikai Kémiai és Anyagtudományi Tanszékének elméleti kémikusa, Czakó Gábor (balról) és PhD-hallgatói: Tajti Viktor és Győri Tibor.

– Sok év és sok-sok kísérlet eredményeként lehetne ugyanazt az eredményt elérni, mint amit a számítógépes szimulációval rövid idő alatt elérhetünk. Ugyanis megfelelő számítógépes programokkal néhány hónap alatt elkészíthető egy olyan többdimenziós energiafüggvény, amely megfelelően leírja az adott kísérleti molekuláris ütközéseket – magyarázta a speciális számítógépes programcsomag tervezője és írója, Győri Tibor. A PhD hallgató egy korábbi publikációjában már ismertette ezt a speciális programcsomagot.

A szimuláció elvégzése összetett feladat. A Győri-féle programot az ugyancsak harmadéves doktorandusz, Tajti Viktor kezdte el alkalmazni ehhez a konkrét elméleti kémiai kutatáshoz.

– A kísérleti és az elméleti munka egymástól függetlenül zajlott, majd a részeredményeket és a végeredményeket összehasonlítottuk. Ami a kísérletben megfigyelhető, azt mi is észleltük a számításaink alapján. Kiváló egyezéseket tapasztaltunk. Ám mélyebb betekintést ad az elmélet a reakció lefolyásába. Az eredmények elemzése, például hogy a két reakcióút közül melyik milyen valószínűséggel megy végbe, ugyancsak számítógépes programozást igényelt, amelyet szintén Tajti Viktor végzett – értékelte tanítványa munkáját a mester, Czakó Gábor. Ezzel azt is megmagyarázta, hogy az elméleti és kísérleti közös munkát leíró cikk „megosztott első szerzője” – az elméleti munkát végző csapat részéről – miért Tajti Viktor PhD hallgató. A szerzők ilyen hozzájárulását a név melletti lábjegyzetben szokás megadni a szakmai folyóiratokban, ahol – a természettudományok esetében jellemzően – több kutató közös eredményét írja le egy-egy publikáció.

NÓVUM A LEGRANGOSABB FOLYÓIRATBAN

– Szintlépés ez a tanulmányunk. Ez a legkomplexebb rendszer, amire pontos dinamikai szimulációt és mérést lehet elvégezni – hangsúlyozta Czakó Gábor. – A számítás és a kísérlet menetét leíró cikkünk nyomán mások is alkalmazhatják a módszert hasonló reakciókra. Ez talán segít abban is, hogy a hasonló reakcióutakat megértsük még komplexebb rendszerekben. Csoportunk további célja, hogy növeljük a rendszer méretét.

A Nature Chemistry a legrangosabb kémiai folyóirat, a tudományág teljes spektrumát lefedi, eredeti kutatási eredményeket közöl, de csak olyanokat, amelyek a kémián belül általános érdeklődésre tartanak számot. Nagy büszkesége az SZTE Czakó-csoportjának, hogy a Nature Chemistry már a harmadik cikküket közli, ami egyetemi, de országos szinten is siker.

– Magas színvonalú szerveskémiai cikk manapság ritka kisebb-nagyobb mennyiségű elméleti munka nélkül – vélekedett a szegedi team, melynek tagjai a napokban küldik el a következő cikküket egy rangos szaklapnak.

SZÍNRE LÉPNEK A SZERZŐK

Országos rekordot dönt meg az elméleti kémikus Czakó Gábor. Az MTA-SZTE „Lendület” Elméleti Reakciódinamikai Kutatócsoportja – többek között – a szénhidrogének reakcióit, valamint kis biorendszereket – például az aminosavak reakcióit szabadgyökökkel – tanulmányozza. A legrangosabb kémiai folyóiratban 2021. augusztus 9-én megjelent publikáció „levelező szerzője”, Czakó Gábor mellett társszerzőként szerepel két doktorandusz is.

– Az informatika érdekel. Jó dolognak tűnt, amikor kiderült számomra: vegyszerek nélkül is lehet kémiai eredményeket elérni – jelentette ki a molekuláris bionika mérnöki alap- és info-bionika mérnöki mesterszakon végzett, három éve PhD-hallgatóként kutatással foglalkozó Tajti Viktor. – Az elméleti kémiában belepillantani a képzésünk idején nyílt lehetőségem. Részt vettem Czakó Gábor számítógépes kémiával foglalkozó kurzusán – emlékezett a fiatal kutató, aki a Nature Chemistry cikk „megosztott első szerzője”. Tajti Viktor időrendet követő szakmai életrajzában ez a tanulmány a 6. helyen szerepel. Az első szakcikke megjelenésekor még BSc-hallgatóként ismerkedett a tudományos publikációk írásának tudományával.

Az SZTE Természettudományi és Informatikai Kar Kémiai Intézetében hagyomány, hogy az alapszakos hallgatók előtt tíz-tíz percben bemutatkoznak a kutatócsoportok, mielőtt az egyetemisták szakdolgozati témát választanak. A hallgatók láthatják, milyen neves folyóiratban publikálnak a kutatók, akik közül BSc, MSc, majd később PhD témavezetőt választanak. A Czakó-csoportban nem a minimum 3, hanem 8-10 cikket tudhatnak magukénak a PhD-hallgatók a doktori képzésük végére.

Az SZTE két doktorandusza: Tajti Viktornak (balról) a hatodik, Győri Tibornak a hetedik publikációja a Nature Chemistry-cikk.

– A számítógépes szimulációk készítésével szívesen foglalkozom. A vegyész mesterképzést végeztem el a kémia alapszakot követően – kezdte a bemutatkozást Győri Tibor, akinek a Nature Chemistry cikk a 7. a publikációs sorban, pedig még csak III. éves PhD hallgató. Szoftveres és hardveres téren is komoly tudással rendelkezik, ezért a számítógépes klaszter megtervezésébe és fölépítésébe is be tudott segíteni, amikor Czakó Gábor a Lendület pályázattal járó támogatás felhasználásáról döntött.

A doktori képzést követően is alapkutatással szeretne foglalkozni az elméleti kémia területén Győri Tibor, míg Tajti Viktor azt is lehetségesnek tartja, hogy később az informatikában jobban elmélyed, de a Czakó Gábor kutatócsoportjában folyó munkától nem szeretne elszakadni. Mert informatikusként és elméleti kémikusként is vallják: „egy munkanap 24 óra és egy éjszaka”.

SZTEinfo – Újszászi Ilona

Fotók: Sahin-Tóth István

Korábban írtuk:

Czakó Gábor elméleti kémikus: „az az eredmény, amit a kutató nem publikál, nem is létezik”

Szegedi kutatók eredményei a világ vezető kémiai folyóiratában