4. februar 2014

Bedre materialer med nyt indblik i krystallers stabilitet

Medicinalkemi

Et nyt forskningsprojekt ved Kemisk Institut skal gøre det lettere at designe materialer med mere forudsigelige og præcise egenskaber. Lektor Anders Ø. Madsen har modtaget en bevilling på fire millioner. DKK fra Villum fonden til at udvikle en kombination af røntgen-eksperimenter og avancerede computermodeller, der kan forudsige strukturen af de krystaller materialerne består af.

Lektor Anders Ø. Madsen ved det ene af de to Røntgendifraktometre, som Kemisk Institut, Københavns Universitet, har indkøbt med støtte fra Villum Fonden

Krystaller bestemmer chokolades smag og medicins virkning

For alle andre end kemikere er krystaller noget, der optræder i smykker. Men holdbarheden af molekylære krystaller er helt afgørende for egenskaberne i en lang række materialer. Fra chokolades evne til at smage godt over lægemidlers evne til at kurere sygdomme til sprængstoffers evne til først at detonere når man ønsker det, fortæller Madsen.

”Desværre er krystallernes holdbarhed og andre egenskaber betinget af deres struktur og strukturen kan i dag ikke forudsiges. Derfor fægter kemikere i blinde, når de skal designe nye materialer”, siger kemikeren Anders Østergaard Madsen fra Københavns Universitet.

"I dag fægter kemikere i blinde, når de skal designe nye materialer!

Anders Østergaard Madsen

Lektor

Kemisk Institut

Københavns Universitet

Krystalindsigt sikrer holdbarhed

Undersøgelserne af hvordan krystaller dannes i forskellige materialer håber han, på sigt, vil gøre det lettere at designe varer, der kan tåle at blive gemt uden at miste deres egenskaber.

Når medicinen har mistet sin virkning eller sprængstoffet eksploderer ved den mindste berøring, er det nemlig oftest fordi krystallerne har ændret form. Derfor er det vigtigt at forstå hvorfor og hvordan de små krystaller går fra en struktur til en anden, forklarer Anders Madsen.

”I dag har vi overhovedet ingen kontrol over hvordan stofferne krystalliserer. Det sker nærmest tilfældigt. Inden for sådan noget som lægemiddeludvikling bruger man derfor enorme ressourcer på at afdække hvilken krystalformer der kan fremkomme. Mit håb er, at hvis vi kan forstå hvilke krystalformer der er mulige, og forstå deres egenskaber og stabilitet, kan vi langt bedre fremstille materialer med ønskede egenskaber.”

Anders Østergaard Madsen, Kemisk Institut, Københavns Universitet, har netop modtaget en større bevilling fra VILLUM fonden

Molekyler i kædedans

Stadig flere steder i kemisk forskning og udvikling bruger man computere til at beregne hvordan et nyt stof skal skrues sammen i kolberne. Men krystallers struktur er uhyre vanskelig at beregne på. Dels fordi der kan være mange molekyler i en krystal, men også fordi molekylerne bevæger sig i krystallen, og det er disse svingende bevægelser, såkaldte fononer, der gør materialet mere eller mindre stabilt.

”Molekyler i et krystalgitter er lidt lige som folkedansere, der danser kædedans. Vi skal forstå både hvad den enkelte danser laver, og hvordan hele kæden bevæger, sig for helt at kunne beskrive dansen. Forskellen er, at krystaller er så små, at vi kun kan studere dem med røntgenteknikker, forklarer Madsen.

Beregning og eksperiment i skøn forening med nyt instrument

I Anders Madsens kommende projekt vil han kombinere udviklingen af beregningsmetoder med detaljerede undersøgelser af krystaller i laboratoriet. Og der har han på Københavns Universitet nogle af landets bedste instrumenter til opgaven. Kemisk Institut har for nyligt indkøbt hele to såkaldte Røntgendifraktometre med støtte fra Villum Fonden. De gør det begge muligt at kigge dybt ind i de mikroskopiske strukturer, og med det ene af difraktometrene kan han oven i købet undersøge krystallerne ved temperaturer, der veksler fra fem grader Kelvin (fem grader over det absolutte nulpunkt) til 500 Kelvin (226,85 C). Det store temperaturspænd er vigtigt for helt at forstå hvordan krystallerne vibrerer, for jo højere temperaturer de bliver udsat for, jo mere bevæger de sig.

Anders Ø. Madsen forventer at bruge den generøse bevilling fra Villumfonden til at dække sin egen løn i tre år samt til at ansætte en postdoc i to år.