De onderzoeksgroep Algemene Chemie (ALGC) van de Vrije Universiteit Brussel (Faculteit Wetenschappen en Bio-ingenieurswetenschappen) doet baanbrekend theoretisch werk in de zoektocht naar nieuwe chemische verbindingen en reacties die op lange termijn kunnen leiden tot de productie van volledig nieuwe moleculen en materialen, met op maat gemaakte eigenschappen. Uit onderzoek blijkt onder andere dat chemische reacties beïnvloed kunnen worden als ze plaatsvinden onder druk, in een elektrisch veld, of als er externe krachten op de deelnemende stoffen worden uitgeoefend. Belangrijk in dit onderzoek is het gebruik van de zogenaamde Density Functional Theory (DFT), waarbij men computers laat berekenen wat de invloed zal zijn van die externe factoren.
“DFT zit vervlochten in al ons kwantumchemisch onderzoek”, zegt professor Frank De Proft van de ALGC-onderzoeksgroep. De kwantumchemie is een tak van de chemie die, uitgaande van de principes van de kwantummechanica, inzicht tracht te verwerven in de elektronische structuur van atomen, moleculen, clusters, vaste stoffen en materialen om hun chemische eigenschappen en reacties die ze ondergaan te beschrijven, te interpreteren en te voorspellen. “Met DFT onderzoeken we de reactiviteit van de moleculen die deelnemen aan een reactie en bestuderen we de eigenschappen van de chemische verbindingen die ontstaan onder die specifieke omstandigheden.”
“DFT is een theorie uit de kwantumchemie die toelaat almaar grotere en meer complexe systemen met steeds toenemende accuraatheid te behandelen. Met DFT kunnen we bovendien chemische concepten definiëren en kwantitatief maken, het centrale onderzoeksthema van de ALGC-groep. We hopen ook te kunnen berekenen wat de invloed zal zijn van die externe factoren op deze chemische concepten. Het is daarbij erg belangrijk om die veranderingen in kaart te brengen om zo mogelijk een scala aan volledig nieuwe chemische reacties bloot te leggen.”
Volgens De Proft opent dat de weg naar een nog ongekende reeks toepassingen. “We nemen bijvoorbeeld waar hoe bij hoge druk een atoom dat een molecule wil vormen met een ander atoom gemakkelijker een elektron zal afstaan in de verbinding, in die mate zelfs dat bij voldoende hoge extreme druk het systeem zijn elektron vanzelf zal loslaten. Het belangrijke van ons onderzoek is dat we via DFT zowel kunnen berekenen wat er gaat gebeuren op het niveau van eenvoudige moleculen als op het niveau van heel complexe entiteiten, zoals biologische systemen en materialen. Die theoretische berekeningen kunnen we maken voor alle omstandigheden die men experimenteel kan creëren, waarmee het mathematisch framework ook direct getoetst kan worden aan de realiteit.”
De Proft en zijn onderzoeksteam maken zich sterk dat hun onderzoek zal resulteren in nieuwe chemische verbindingen en reacties en op langere termijn misschien zelfs in nieuwe materialen, een mooi voorbeeld van hoe fundamenteel onderzoek kan uitmonden in nuttige toepassingen.
“Er kan zonder overdrijven gesteld worden dat DFT in de afgelopen vier decennia een revolutie in de kwantumchemie heeft teweeggebracht”, is De Proft enthousiast. “DFT is uitgegroeid tot een berekenings-werkpaard dat nu, vanwege zijn vermogen om systemen van steeds grotere omvang te bestuderen tegen lagere computationele kostprijs, niet meer alleen wordt gebruikt door kwantumchemici, maar overal zijn weg gevonden heeft binnen de experimentele chemie. DFT-methoden worden op grote schaal gebruikt in het onderzoek, zowel in de academische wereld als in de industrie. Het belang van het vakgebied werd trouwens internationaal in de verf gezet met de toekenning van de Nobelprijs aan Prof. Walter Kohn, samen met Prof. John A. Pople in 1998.”
De volgende dagen komt de DFT-wereldtop naar Brussel voor zijn tweejaarlijks internationaal congres, het negentiende in de rij, dat dit jaar door ALGC georganiseerd wordt van 28 augustus tot 2 september. Het is al de tweede keer dat de VUB de conferentie mag organiseren. Een vorige keer gebeurde dat in 2003. De DFT2022 conferentie zal een breed scala aan onderwerpen in het domein beslaan, variërend van theoretische ontwikkelingen tot toepassingen in de chemie en fysica en zal wetenschappers van over de hele wereld samenbrengen. Ook zal onder meer aandacht geschonken worden aan de sterke opmars van “machine learning” methoden binnen het DFT-onderzoek.