تشکیل و تبدیل مواد معدنی در طبیعت آنها معمولاً به آرامی در زمان زمین شناسی رخ می دهند. یا به شرایطی مانند فشار بسیار بالا یا دمای بالا یا محیط های شیمیایی خاص نیاز دارند. سوالات زیادی در مورد شیمی که این فرآیندها را هدایت می کند وجود دارد.
اگر کار من بتواند واقعیت را روشن کند واکنش شیمیایی که برخی از این فرآیندها را هدایت می‌کنند، می‌توانم به درک چگونگی انجام فرآیندهای معدنی به صورت مصنوعی کمک کنم – شاید حتی برای کمک به حل چالش‌های محیطی از آنها تقلید کنیم.
ما چیزهای زیادی در مورد چگونگی تشکیل مواد معدنی و نقش آنها در محیط زیست می دانیم. اما ما سوالات زیادی داریم. مواد معدنی چگونه با محیط شیمیایی خود برهمکنش می کنند؟ چگونه حل می شوند و به مواد دیگر تبدیل می شوند؟ و چگونه موجودات زنده بر تشکیل مواد معدنی تأثیر می گذارند؟
برخی از گیاهان برای محافظت از خود در برابر گیاهخواران، مواد معدنی را با خوشه های مخصوص رشد می دهند. اگر این گیاهان را بخورید یا می میرید یا معده ناراحت می شوید. به هر حال دیگر آنها را نخواهید خورد.
در صخره های مرجانی ما مواد معدنی داریم که حیات دریایی را به عنوان بخشی از اسکلت آنها رشد می دهند. حتی مرد ما استخوان ها از کلسیم فسفات با یک جزء آلی ساخته شده است، بنابراین اساسا یک ماده معدنی است. در اینجا تعادل شکل گیری و انحلال مداوم وجود دارد، اما اگر به دلایلی این تعادل را به هم بزنید، همه چیز تغییر می کند. به عنوان مثال، در پوکی استخوان، انحلال استخوان سریعتر از رشد استخوان اتفاق می افتد و باعث ضعیف شدن استخوان ها می شود. بنابراین شیمی معدنی زیادی در موجودات زنده وجود دارد. و این یک شیمی بسیار جالب است.
اگر بتوانیم درک کنیم که چگونه موجودات زنده مواد معدنی را با اشکال، بافت و ترکیبات خاص تشکیل می دهند، ممکن است بتوانیم مواد جدیدی را برای عملکردهای خاص طراحی کنیم.
اگر بتوانیم درک کنیم که چگونه موجودات زنده مواد معدنی را با اشکال، بافت و ترکیبات خاص تشکیل می دهند، ممکن است بتوانیم مواد جدیدی را برای عملکردهای خاص طراحی کنیم. برای مثال، اگر بتوانیم چیزی شبیه صدف دریایی را با همان دقتی که یک موجود دریایی انجام می دهد رشد دهیم، میدان کاملا جدیدی را برای طراحی مواد جدید برای کاربرد در پزشکی یا سایر فناوری های مشابه باز می کند.
در سطح شیمیایی، اتم ها کمی شبیه لگو هستند. شما تکه هایی با اندازه ها و رنگ های مختلف دارید. بسته به نحوه ترکیب آنها، می توانید با یک قایق یا یک خانه یا یک قلعه بیرون بیایید. شیمی معدنی نیز به همین صورت است. فقط باید فهمید که طبیعت چگونه با آن بازی می کند.
من همیشه گرایش طبیعی به ریاضیات و علوم داشتم. در کنار نوشتن، آنها همیشه دروس مورد علاقه من در مدرسه بودند. سپس، وقتی 12 ساله بودم، معلمی به ما نشان داد که چگونه مولکول‌های آب وقتی از یخ، مایع و سپس بخار می‌شوند، خود را سازمان‌دهی می‌کنند – آنها در مورد چگونگی دخیل شدن انرژی در انتقال بین حالت‌ها صحبت کردند. به یاد دارم که به خانه آمدم، کتاب درسی ام را روی جدول تناوبی عناصر باز کردم و تا جایی که می توانستم بسیاری از آنها – و نمادهایشان را به خاطر بسپارم. همان روزی بود که وارد رشته شیمی شدم.
بنابراین شکی نداشتم که در دانشگاه چه چیزی را انتخاب کنم. اما من هیچ علاقه ای به کامپیوتر نداشتم – تا اواخر دانشگاه، زمانی که متوجه شدم نظریه پردازان کارها را با قلم و کاغذ انجام نمی دهند. من یاد گرفتم که اگر می‌خواهید کاری معنادار در زمینه شیمی انجام دهید که من را مجذوب خود کند – شیمی نظری – تنها راه برای انجام آن، توسعه کدها و استفاده از رایانه یا ابر رایانه است، بسته به کاری که باید انجام دهید.
در سطح شیمیایی، اتم ها کمی شبیه لگو هستند.
من هنوز علاقه ای به خود کامپیوتر ندارم. اما من مشتاقم که کامپیوترها در همه علوم و به ویژه در شیمی به چه چیزی دست پیدا کنیم.
کارهای زیادی وجود دارد که می توانید روی لپ تاپ انجام دهید، مانند تست های ساده و تجزیه و تحلیل داده ها. اما بیشتر محاسبات من به کامپیوترهایی به اندازه اتاق نیاز دارد. مثل این است که هزاران لپ‌تاپ با هم کار کنند و هر لپ‌تاپ بخش کوچکی از محاسبات را حل کند. و سپس همه چیز را در یک پاسخ ترکیب می کنند.
به همین دلیل، من از دو امکانات ابررایانه ملی خود در NCI (زیرساخت محاسبات ملی در ANU، کانبرا) و در مرکز ابررایانه‌ای Pawsey در واشنگتن استفاده می‌کنم.
مدلسازی نظری چندین مزیت دارد. به عنوان مثال، می‌توانید مثلاً 1000 ماده شیمیایی مختلف را طراحی و آزمایش کنید و ببینید کدام یک از آنها به احتمال زیاد تشکیل می‌شوند یا کدام‌ها خواص مورد علاقه ما را دارند، که به ما امکان می‌دهد بدون نیاز به رفتن به آزمایشگاه، تعدادی از احتمالات را رد کنیم. و هر 1000 تا را به صورت فیزیکی بسازید. شرایطی نیز وجود دارد که آزمایش‌ها محدودیت‌هایی دارند و نمی‌توانند کشف کنند که اتم‌ها چه می‌کنند یا مقادیر خاصی را اندازه‌گیری کنند. این زمانی است که می توان از مدل های نظری دقیق برای دسترسی به جزئیاتی استفاده کرد که نمی توانید آنها را ببینید یا با آزمایش اندازه گیری کنید.
فرآیندهایی در طبیعت رخ می دهند که دقیقاً همان چیزی است که ما برای مقابله با چالش های زیست محیطی به دنبال آن هستیم.
به عنوان مثال، گروه من در تلاش است تا بفهمد مواد معدنی چگونه می توانند به دام بیفتند دی اکسید کربن از جو ما می دانیم که این اتفاق می افتد زیرا ما آن را در طبیعت می بینیم و راه هایی برای ایجاد مصنوعی آن وجود دارد، اما ما بسیاری از قطعات این پازل شیمیایی را از دست داده ایم.
با روش‌های محاسباتی، می‌توانید در واقع به داخل یک ماده معدنی وارد شوید و ببینید که بین اتم‌ها چه اتفاقی می‌افتد – برای مثال، چگونه یک مولکول دی اکسید کربن به سطح ماده معدنی نزدیک می‌شود، آبی را که سطح را “خیس” می‌کند، خارج می‌کند و سپس می‌چسبد و واکنش نشان می‌دهد. در چه شرایطی ممکن است این اتفاق بیفتد؟ برای تسریع در این فرآیند چه قدمی باید برداریم؟ گرفتن این از یک آزمایش فیزیکی می تواند دشوار باشد، اما با مدل سازی می توانید آن را ببینید.
فرآیندهایی در طبیعت رخ می دهند که دقیقاً همان چیزی است که ما برای مقابله با چالش های زیست محیطی به دنبال آن هستیم. اما ما چندین قطعه از پازل های طبیعت را از دست داده ایم و بسیاری از آنها به شیمی مربوط می شوند. امیدوارم کار من به درک ما از نحوه عملکرد این فرآیندها کمک کند.
همانطور که به گراهام سیمز گفته شد.
