De mindste dråber af vand: IR spektroskopi af molekylære vandklynger
I denne SRP-øvelse arbejder vi med at karakterisere de intermolekylære hydrogen-bindinger i små molekylære klynger af vand. Du vil blive undervist i infrarød spektroskopi både teoretisk og eksperimentelt og overordnet i den kvantekemiske teori, som anvendes i beregningskemi. Du lærer også, hvordan vi analyserer infrarøde spektre for molekylære klynger f.eks. i kombination med forudberegnede kvanteovergange (vibrationsenergier), som du selv får lov til at producere ved hjælp af DTU's supercomputer.
Hvad går øvelsen ud på?
Vi undersøger dannelsen af de allermindste ”dråber” af vand ét molekyle ad gangen også kaldet molekylære klynger isoleret ved meget lave temperaturer.
En molekylær klynge er en enhed bestående af to eller flere molekyler der er bundet sammen ved hjælp af intermolekylære fysiske vekselvirkninger såsom såkaldte hydrogen-bindinger.
Sådanne ikke-kemiske vekselvirkninger mellem molekyler er blandt andet ansvarlige for opbygningen af både den sekundære og tertiære struktur af biologiske makromolekyler som eksempelvis foldningen af proteiner.
Ved at forstå naturen af vekselvirkninger i forholdsvis små molekylære klynger kan vi på længere sigt opnå en mere kvantitativ forståelse af større biologiske molekylære systemer.
Du vil blive undervist i den fysisk/kemiske teori omkring infrarød spektroskopi, og du vil samtidig stifte bekendtskab med en unik eksperimentel opstilling udviklet af forskere på DTU Kemi til spektroskopiske studier af molekylære klynger ”fanget” ved omkring 4 Kelvin. Du vil også udføre forholdsvis simple kvantekemiske beregninger på molekylære vandklynger, som vil indgå i en kombineret analyse af de infrarøde spektre, som vi optager i laboratoriet.
Vi anbefaler en generel interesse for fysisk kemi, idet analysen af de infrarøde spektre af molekylære klynger ikke kan afspejles i de analyser af infrarøde spektre, som generelt udføres for identifikation af stoffer i organisk kemi i gymnasiet. Teorien om infrarød spektroskopi, der ligger til grund for spektralanalysen, er dog selvfølgelig den samme for fysisk og organisk kemi.
Hvordan foregår øvelsen?
På første øvelsesdag får du en introduktion til øvelsen og den eksperimentelle opstilling på DTU Kemi. I laboratoriet skal vi udføre et eksperiment, hvor vi ”fanger ”klynger af vandmolekyler i en meget inert matrice af fast neon ved lave temperaturer (omkring 4 K).
På anden øvelsesdag får du en introduktion til beregningskemi og de Linux-baserede supercomputere på DTU, som er velegnede til kvantekemiske forudberegninger af molekylære egenskaber. Du vil foretage forholdsvis simple kvantekemiske beregninger på molekylære klynger af vand.
Vi vil da tilbringe eftermiddagen i fællesskab med at analysere de kvantekemiske forudberegninger fra DTU's supercomputer og de eksperimentelle infrarøde spektre optaget i laboratoriet på DTU Kemi.
Hvilke faciliteter kommer du til at bruge?
Du kommer til at stifte bekendtskab med ny unik eksperimentel opstilling udviklet af forskere på DTU Kemi til spektroskopiske studier af molekylære klynger ”fanget” ved omkring 4 K.
Du kommer til at optage infrarøde spektre og lære hvordan man udfører databehandling.
Du får lov til at udføre kvantekemiske beregninger ved hjælp af supercomputeren HPC på DTU.
Du får en rundvisning på DTU, hvor du kommer til at se biblioteket, S-huset (DTU's studenterhus) og andre faciliteter på DTU Kemi.
Tilmeldingen til SRP-øvelser åbner
Du kan fokusere på beregningskemi og dets anvendelse til at kvantificere de intermolekylære vekselvirkninger i molekylære klynger.
Du kan fokusere på, hvordan studier af disse små svagt bundne molekylære klynger bidrager til at forbedre vores fundamentale forståelse af intermolekylære hydrogen-bindinger i større biologiske molekylære systemer.
Dag 1
- Velkommen
- Introduktion til øvelsen: Den eksperimentelle opstilling
- Rundvisning i laboratoriet inkl. laboratoriesikkerhed
- Eksperiment: I laboratoriet for at opstarte det spektroskopiske eksperiment
- Teori: Infrarød spektroskopi
- Fælles frokost (medbring egen mad)
- I laboratoriet for at færdiggøre det spektroskopiske eksperiment
Dag 2
- Introduktion til øvelsen: Beregningskemi, supercomputeren HPC på DTU
- Anvendt beregningskemi (demonstration)
- Fælles frokost kombineret med en rundvisning på DTU Kemi efter interesse
- Databehandling
- Opsamling og diskussion
- Evaluering og afslutning
Du modtager en grundig teoretisk gennemgang af infrarød spektroskopi og hvordan den anvendes i fortolkningen af eksperimentelle infrarøde spektre optaget i laboratoriet.
Du modtager datafiler med behandlede infrarøde spektre fra eksperimentet af de molekylære klynger af vand. Du er selv med til at behandle de optagede spektre under øvelsen.
Du modtager output-filer fra DTU's supercomputer med kvantekemiske beregningsdata for de spektroskopiske kvanteovergange for forskellige små molekylære klynger af vand (H2O)n (n ≤ 5) til fortolkningen af de eksperimentelle infrarøde spektre.
Vi anbefaler, at du anvender litteratur om infrarød spektroskopi, kvantekemi og hydrogen-bindinger.
Når du har tilmeldt dig, vil du få tilsendt en elevvejledning samt en samling af artikler.
Relevante gymnasiefag
- Kemi: Vi studerer grundlæggende intermolekylære hydrogen-bindinger for små molekylære klynger, der kan perspektiveres i forhold til den sekundære og tertiære struktur af biologiske molekyler som proteiner. Små molekylære klynger indeholdende vand er også særdeles relevante inden for atmosfærekemi blandt andet som et vigtigt skridt på vejen til dannelsen af større aerosoler og skydannelse.
Kan kombineres med:
- Fysik
- Informatik - vi kommer til at anvende en Linux-baseret supercomputer samt numeriske metoder i forbindelse med kvantekemiske beregninger.
Faglige nøgleord
- Molekylære klynger
- Intermolekylære hydrogen-bindinger
- Infrarød spektroskopi
- Vibrationer i molekyler
- Kvantekemi
- Anvendt computerbaseret beregningskemi
