Väitös 12.12.2022: Tehokkaampia keinoja kemiallisten yhdisteiden termodynaamisten ominaisuuksia arviointiin (Vuori)

Reaktioiden energianmuutoksia tutkii kemiallinen termodynamiikka, jonka teorioiden avulla on mahdollista selvittää esimerkiksi, voiko jokin tietty reaktio tapahtua ja kuinka suuri on tapahtuva energian muutos. Teorioiden hyödyntämiseen tarvitaan yksityiskohtaista ja tarkkaa tietoa aineiden termodynaamisista ominaisuuksista. Näitä ominaisuuksia on määritetty laajasti vain muutamille tuhansille aineille, kun taas erilaisten kemiallisten yhdisteiden lukumäärä lasketaan miljoonissa.

Termodynaamisten ominaisuuksien mallintaminen vaatii laskentatehoa

Hannu Vuori hyödynsi väitöstutkimuksessaan moderneja kvanttikemiallisia menetelmiä. Kvanttikemia on tieteen ala, jossa fysiikan kvanttimekaniikan menetelmiä hyödynnetään kemiallisten ongelmien tarkasteluun tietokoneavusteisesti. Näin voidaan esimerkiksi mallintaa molekyylien ominaisuuksia erittäin tarkasti.

”Määrittämäni ominaisuudet ovat monessa tapauksessa huomattavasti tarkempia kuin aiemmat kokeelliset tulokset”, Vuori kertoo.

”Laskennallisten tulosten avulla pystyimme osoittamaan kokeellisessa datassa olevia epäjohdonmukaisuuksia ja löytämään niin karkeita kuin systemaattisia virheitä. Tämä on ymmärrettävää, sillä käytetyt kokeelliset menetelmät ovat erittäin virheherkkiä.” Kvanttikemiallisten menetelmien tarkkuus riippuu niiden taustalla olevista approksimaatioista. Niitä vähentämällä voidaan parantaa tarkkuutta, mutta samalla kasvaa myös tarvittavien tietokoneiden määrä ja laskenta-aika.

”Käytetyillä laskentaresursseilla oli mahdollista tarkastella molekyylejä, joissa on muutama kymmenen atomia. Useimmissa teollisesti mielenkiintoisissa yhdisteissä atomeja voi olla huomattavasti enemmän, jolloin laskut kestäisivät kuukausia tai jopa vuosia”, Vuori toteaa. ”Siksi täytyykin vaihtaa lähestymistapaa, jotta tuloksia saadaan järkevässä ajassa.”

Arvioimalla päästään tarkkoihin tuloksiin laskentaa nopeammin

Yhdisteiden termodynaamisia ominaisuuksia voidaan myös arvioida, sillä ne riippuvat hyvin systemaattisesti niiden rakenteista ja toistuvien rakenneyksiköiden eli kemiallisten ryhmien määrästä.

”Arvoivat menetelmät ovat erittäin nopeita ja myös tarkkoja, mikäli käsiteltävät yhdisteet ovat riittävän samankaltaisia ja analyysin pohjana oleva data on tarkkaa”, Vuori selittää. ”Tässä väitöstyössä saatuja tuloksia käytettiin laajentamaan Sidney Bensonin kehittämää ryhmäkontribuutiomenetelmää fosforin, piin ja boorin yhdisteisiin. Näin voidaan arvioida kyseisten yhdisteiden termokemiallisia ominaisuuksia vain murto-osassa siitä ajasta ja laskentatehosta, minkä kvanttikemialliset laskut vievät.”

Väitöstutkimuksen tuloksia voidaan hyödyntää esimerkiksi kemian teollisuuden prosessisuunnittelussa tai arvioitaessa kemiallisten yhdisteiden pysyvyyksiä. ”Tulosten avulla on myös mahdollista tutkia ennakkoon yhdisteitä, joita ei vielä ole olemassa, ja selvittää, mitkä niistä parhaiten toteuttaisivat vaadittuja ominaisuuksia. Tämä on valtava mahdollisuus”, Vuori päättää.

Väitöskirja on julkaistu Jyväskylän yliopiston väitöstutkimusten JYU Dissertations-sarjassa, numero 581, Jyväskylä 2022. ISBN 978-951-39-9242-2 (PDF), URN:ISBN:978-951-39-9242-2, ISSN 2489-9003. Linkki verkkojulkaisuun: http://urn.fi/URN:ISBN:978-951-39-9242-2

Taustatietoja

Hannu Vuori valmistui ylioppilaaksi Jyväskylän Lyseosta 1967, luonnontieteiden kandidaatiksi Jyväskylän yliopistosta 1971 ja filosofian maisteriksi Jyväskylän yliopistosta 1982. Yliopisto-opintojensa aikana hän teki opetustöitä useilla eri paikkakunnilla ja siirtyi maisterin tutkinnon suorittamisen jälkeen ohjelmistosuunnittelijaksi Olivetti Suomi Oy:lle. Hänen työuransa jatkui myöhemmin ohjelmistopuolella Nokia Mobile Phones -yksikössä sekä Tieto Oyj:llä Nokian matkapuhelinkeskuksen ohjelmiston ylläpidossa ja kehityksessä. Eläköitymisensä jälkeen hän aloitti jatko-opinnot Jyväskylän yliopiston kemian laitoksella. Väitöstutkimus on saanut rahoitusta Suomen Akatemialta vuodesta 2019 lähtien.

FM Hannu Vuoren väitöskirjan ”Extending Benson Group Increment Theory to Compounds of Phosphorus, Silicon, and Boron with Computational Chemistry" tarkastustilaisuus järjestetään maanantaina 12. joulukuuta 2022 kello 12:00 alkaen Jyväskylän yliopiston kemian laitoksen salissa KEM4. Vastaväittäjänä tilaisuudessa toimii apulaisprofessori Antti Karttunen (Aalto yliopisto) ja kustoksena professori Heikki M. Tuononen (Jyväskylän yliopisto). Väitöstilaisuus on suomenkielinen.