Een nieuwe aanpak in de quantumchemie

Wat gebeurt er als interacties tussen elektronen oneindig sterk zijn?

paoli-gioriVan der Waalskrachten zijn de natuurkrachten waardoor waterdruppels aan glas blijven kleven, en pindakaas op je brood. Hoe alledaags ook, precies doorrekenen kunnen we dit krachtenspel nog altijd niet. Theoretisch chemicus Paola Gori-Giorgi duikt in de quantummechanica met een nieuw idee.

Quantummechanica
'Ik doe onderzoek in de quantumchemie, eigenlijk het doorrekenen van moleculen', zegt Gori-Giorgi, hoogleraar Theoretische en Wiskundige Chemie aan de VU. Quantummechanica is de natuurkunde van het allerkleinste: atomen en elektronen. In principe kun je daarmee berekenen hoe de elektronen in de atomen zich gedragen, en daarmee dus ook de moleculen. De beroemde natuurkundige Paul Dirac noemde dat "Het einde van de chemie", want in theorie hoef je dan niet meer in het laboratorium aan de gang. 'Maar er zit natuurlijk een addertje onder het gras: als het molecuul groter is dan een paar atomen, duurt een precieze berekening langer dan de leeftijd van het heelal. Dus maken we benaderingen.'

Regendruppels
De meest gebruikte quantumchemische rekenmethode is Dichtheidsfunctionaaltheorie, of DFT. Gori-Giorgi: 'Dat werkt meestal heel goed en snel, maar in sommige gevallen niet: als de interacties tussen de elektronen in het molecuul een grote rol spelen bijvoorbeeld, en ook bij Van der Waalskrachten.' Van der Waalskrachten zijn de krachten tussen verschillende moleculen, bijvoorbeeld de krachten die een druppel aan een glas doen plakken.

'Ik ben bezig met een nieuwe aanpak in de quantumchemie', zegt Gori-Giorgi. 'Normaal gesproken ga je in DFT uit van een systeem zonder interacties tussen de elektronen: de elektronen voelen elkaars aanwezigheid niet. Die niet-fysische toestand gebruik je vervolgens als basis voor je berekeningen. Maar ik vraag: wat gebeurt er als die interacties juist oneindig sterk zijn? Als de elektronen elkaar extreem afstoten. Dat is ook niet realistisch, maar je kunt die twee complementaire limieten gebruiken om iets te zeggen over echte moleculen, die daar ergens tussenin liggen.'

VICI
De VICI-onderzoekssubsidie die Gori-Giorgi kreeg, is bedoeld om Van der Waalskrachten te analyseren met diezelfde aanpak. 'Ik was op een congres met een bekend mathematisch fysicus aan het discussiëren, en hij liet me een schetsje zien over gecorreleerde elektronen. Ik dacht: 'hee, dat kom ik ook tegen in mijn aanpak. Opeens viel alles op zijn plaats. Toen ben ik min of meer weggerend om mijn VICI-voorstel te gaan schrijven.'

Farmaceutica
Toepassingen van de quantumchemie zijn er zeker, zegt Gori-Giorgi. 'Maar om eerlijk te zijn ben ik zelf niet zo geïnteresseerd in specifieke toepassingen, zoals medicijnen. Maar iedere keer als ik iets nieuws heb ontwikkeld, merk ik dat andere onderzoekers als vanzelf naar je toekomen voor hulp. Dat vind ik het mooie van wetenschap: het is een collectieve onderneming, ieder heeft zijn eigen expertise.

Die van mij gaat over de fundamenten en de vragen die daar belangrijk zijn, anderen gebruiken dat weer.' Bijvoorbeeld de mensen van de VU spin-off Software for Chemistry & Materials (SCM). SCM biedt state of the art softwarepakketten aan voor quantumchemische berekeningen. Tot hun klanten horen ook grote farmaceutische en chemische bedrijven. Gori-Giorgi: 'Als mijn aanpak werkt, zal het vroeg of laat ook in zulke pakketten terechtkomen.'