Data for "A Thermodynamic Landscape of Hydrogen Cyanide-Derived Molecules and Polymers"

Finansiering 1

• Finansiär: Vetenskapsrådet
• Diarienummer hos finansiär: 2016-04127
• Projektnamn på ansökan: Functional Materials Prediction with Implications for the Origin of Life and Planetary Science
• Information om finansiering: Många av de ”lågt hängande frukterna” inom materialvetenskapen har plockats. Kemiska experiment är dyra, tar tid, och kan även vara riskfyllda om man inte vet vad man kan förvänta sig. För att utveckla nästa generations avancerade material behöver vi kemister i allt större utsträckning använda oss av datorsimuleringar för att beräkna tänkta materials egenskaper innan de existerar. Den här forskningen syftar till att förutspå en rad helt nya klasser av material, beräkna deras egenskaper, och simulera vilka kemiska reaktioner som kan tänkas bilda dem. Till vår hjälp har vi kvantmekaniken, vår mest exakta beskrivning av den atomära världen. Med hjälp av superdatorer kan vi idag beräkna hur tusentals elektroner och atomkärnor interagerar med varandra. Beräkningarnas exakthet är ofta jämförbara, eller av högre säkerhet, än vi kan mäta experimentellt. Vi kan med andra ord uppskatta materials egenskaper under förhållanden fjärran från vad som är praktiska i laboratorium – extrema temperaturer och tryck, lång och kort tid, det finns i princip inga begräsningar. Först när vi är övertygade om ett materials goda egenskaper, och har en idé om hur de skulle kunna framställas, går vi till nästa fas, nämligen att försöka tillverka materialet på riktigt.Detta forskningsprojekt kommer i första hand fokusera på olika väldefinierade material som kan tänkas bildas från en av universums enklaste molekyler, som också är vanligt förekommande – vätecyanid. Denna molekyl består endast av en väteatom (H) en kolatom (C) och en kväveatom (N). HCN är genom en evolutionär slump mycket giftig för människor, då cyanidjonen (CN-) reagerar med järn och förhindrar nödvändig elektrontransport i våra celler. Kemister är vana att handskas med farliga ämnen, men just HCN är så pass giftigt att det ofta är opraktiskt att arbeta med det. Här är beräkningskemi mycket lämpligt för att minimera risker och möjliggöra sökandet av nya material. Så varför skall vi intressera oss för HCN?Kolatomer kan binda fyra andra atomer, kväve kan binda tre och väte kan binda en annan atom. Detta ger oss en uppsjö av kombinatoriska möjligheter! Olika endimensionella kedjor, tvådimensionella ark och tredimensionella nätverk, alla med olika mekaniska, elektroniska och kemiska egenskaper. Många av dessa kan vara ofarliga och användbara material som ännu inte upptäckts! Nya metoder för att analysera kemisk bindning kommer att utvecklas. Genom att testa dessa metoder på material med olika egenskaper, men där alla är uppbyggda av samma atomer, hoppas jag kunna lära mig regler som beskriver hur specifika materialegenskaper uppkommer. Dessa regler kommer sedan användas för att mer direkt designa nya material med önskvärda egenskaper.En ytterligare viktig anledning att undersöka just dessa material är att HCN är en av de viktigaste byggstenarna i den kemi som tros förklara uppkomsten av aminosyror, polypeptider och andra biologiska molekyler nödvändiga för livets uppkomst. Att förklara den förhistoriska kemi som gav upphov till självkopierande molekyler, och arv av information, är en av de mest komplexa utmaningarna inom kemivetenskapen. Försök att reagera HCN med sig självt i laboratorier har resulterat i en blandning av olika komplexa strukturer, och man har man inte kunnat bevisa hur eller om enskilda mer väldefinierade material är viktiga i detta sammanhang. Det är först nu, när vår beräkningskapacitet har blivit kraftfull nog, som vi har möjlighet att undersöka varje unikt material för sig.Rymdskeppet Cassini undersöker för tillfället Saturnus och dess månar, och har upptäckt oidentifierade kemiska tecken (ljusspektra) på månen Titan. Dessa härstammar troligtvis från vätecyanidrelaterade föreningar, som skulle kunna ge oss viktig insikt i vilken kemi som är verksam på denna geologisk aktiva måne. Jag planerar därför att jämföra olika materials beräknade spektra med mätningar från Titan och med experiment gjorda av olika samarbetspartners, inklusive planetforskare hos Amerikanska rymdstyrelsen.

Finansiering 2

• Finansiär: Vetenskapsrådet
• Diarienummer hos finansiär: 2020-04305
• Projektnamn på ansökan: Computational Astrobiology: The Rise of Macromolecules
• Information om finansiering: På bara några år har en mängd nya exoplaneter upptäckts, det vill säga planeter runt andra stjärnor än vår egen sol. Inom forskningen uppskattas det nu att upp till hälften av alla stjärnor är omgivna av planeter som är lika stora eller större än jorden. Planeter i den så kallade ”beboeliga zonen”, där vatten kan existera i flytande form, förväntas kring ungefär var tionde stjärna.Hur troligt är det att det finns liv på de här planeterna? För att kunna svara på den fundamentala frågan krävs att vi förstår vilka kemiska processer som kan ge upphov till biologi i olika omgivningar. Skapandet av stora molekyler, så kallade makromolekyler, behövs förmodligen för allt liv i universum. I det här forskningsprojektet ställer vi de grundläggande frågorna: Vilka kemiska processer styr bildandet av olika klasser av makromolekyler och hur vanligt förekommande är dessa processer?Vi vet idag att byggstenarna till makromolekyler är vitt utspridda och vanligt förekommande i vårt och andra solsystem. De här mindre och reaktiva molekylerna har till exempel hittats i stoftmoln i rymden, på kometer och asteroider, i atmosfären på flera olika månar och inuti meteoriter som slagit ner på jorden. I vårt projekt kommer vi att använda oss av kvantmekaniska beräkningar för att bland annat undersöka skapandet av kvävebaser och polypeptider vid temperaturer som är mycket lägre än på Jorden. En hypotes som detta kommer hjälpa till att undersöka är om vissa makromolekyler kan skapas under kalla förhållanden och sedan överföras till varmare Jordliknande planeter.Kvantmekaniska beräkningar är nödvändiga i den här forskningen eftersom kemiska reaktioner som sker vid låga temperaturer kan ta mycket lång tid. Inom projektet kommer vi samarbeta med forskare på NASA för att det ska bli möjligt att undersöka vissa förutsägelser genom experiment. Långsamma reaktioner är dock ofta mycket svåra att studera i laboratorium. Genom att simulera molekylers reaktioner med superdatorer kan vi bestämma hur fort sådana processer bör ske vid olika temperaturer. Förutsägelser från det här projektet kommer bland annat att kunna jämföras mot prov som tas på asteroider. Rymdsonderna Hayabusa-2 och OSIRIS-Rex ska leverera sådana prov till jorden under slutet av 2020 och 2023.Vårt solsystem innefattar även Saturnus måne Titan, som kan ses som en näraliggande modell av en exoplanet. Den här ovanligt stora månen har en tjock atmosfär som kan liknas vid den jorden hade tidigt i sin utveckling. Titan är mycket kallare än Jorden men många av livets byggstenar tros kunna skapas i dess atmosfär. Vår forskning kommer resultera i förutsägelser av föreningar som skulle kunna finnas på Titan, och hur dessa föreningar kan upptäckas. Rymdsonden Dragonfly har i uppgift att undersöka Titans kemi och söka efter liv när den landar där år 2034.Astrobiologi är ett mycket tvärvetenskapligt forskningsfält som har som mål att undersöka om det finns annat liv i universum och hur det kan upptäckas. Hypoteser i astrobiologi är och behöver ofta vara mycket spekulativa. En del i den här forskningen består i att utveckla grundprinciper och riktlinjer för beräkningsmässig astrobiologi. Att just beräkningsmässigt utvärdera den astrobiologiska potentialen för enstaka material och kemiska processers är mycket utmanande men något som just nu håller på att bli möjligt. I det här forskningsprojektet vill vi ta vara på den möjligheten och bidra till att ta forskningen ytterligare några steg närmre svaret på en av mänsklighetens stora frågor: finns det liv på andra planeter eller är vi ensamma i universum?