Kjemi i alle fag og på alle samfunnsområder

 

IMG_2112

Kjemifaget grenser til alle andre samfunnsområder, understreket Nils Åge Frøystein med sitt innledningsforedrag på kjemisamlingen på Naturfag 2. Foredrag og øvinger utover første kursdag viste til fulle at Frøystein har rett. I løpet av få timer kom deltakerne i kontakt med PET-scanning, katalyse for bærekraftig energi, fremstilling av nanopartikler og hydrogenerering av olivenolje – blant annet.

Kjemi er det sentrale naturfaget. Kjemien grenser mot alle de andre fagområdene, som til fysikk og molekylærbiologi når det gjelder molekyler og reaksjoner. Bindinger, atomer som slår seg sammen på forskjellig vis, er kjemiens hovearbeidsområde. Salter og molekyler er eksempel på binignstyper. Nils Åge Frøsytein ga i innledningen til kursdagene et utsyn over kjemien, og eksempler på tema der faget er viktig i naturvitenskapen og i samfunnet. Kvikksølvet som fremdeles ligger i og ved ubåten utenfor Fedje er ett eksempel. 65 tonn ligger på havbunnen, og representerer en stor fare. Fra kvikksølv kan det dannes metylkvikksølv, som er svært giftig – eller enda verre; dimetylkvikksølv. Kjemi er læren om stoffene, hvordan de endrer seg og binder seg sammen. Naturlige og kunstige stoff har samme egenskaper, de kan være nyttige, ufarlige, farlige, nyttige og viktige for oss. Molekyl med lik formel og sammensetning kan likevel ha forskjellige egenskaper – fordi de er motsatt symmetrisk bygget. Dette er tema for et eget fegfelt, kirometri. Frøsytein kom også inn på et annet felt de kunnskap om stoffene er viktig for oss: mangel på sporstoff. Vi kan rett og slett gå tom for enkelte grunnstoff vi er avhnegige av. Presset på utvinning øker, men også innsatsen for gjenvinning og resirkulering.

PET-teknologien, som var tema for foredraget til Tom Christian Holm Andersen, baserer seg på kortlevde, radioaktive isotoper. Isotopene genereres i en syklotron – en partikkeleakselerator lik den vi kjenner fra CERN, men selvsagt mindre. Isotopene legges i en bærer – et legemiddel eller for eksempel et sukkerstoff, som taes inn i kroppen. Nukeliden som benyttes, og bæreren, er tilpasset målet – organet og organellen som skal visualiseres. Hensikten er å få en oppsamling av nukleider der kroppen er angepet. Man må da kjenne til hvor bæreren normalt blir tatt opp, og hvor opphopning viser sykdom. Nukleiden vil gi signal som gamma, alfa eller betastråling, alt etter hvilken som er valgt. Strålingen kan også gi en terapieffekt, nukeliden som blir valgt er da designet for formålet.Tom Christian Adamsen arbeider ved senter for molekylærmedisin, og foreleste om PET-scanningen på kurset.

 

Vidar R. Jensen hadde katalyse som tema. Katalyse er et viktig verktøy for grønn kjemi. Her gjelder det å bruke færrest mulig stoffer i prosessene, og så lite som mulig. Kjemikerne snakker om ‘atomregnskap’ – hvor mange atomer av hvert grunnstoff som går inn i en reaksjon. Kjemiske prosesser har gjerne tatt inn mange stoff, som ikke er nødvendige for å få frem sluttproduktet. Prosessen kan ha gått i mange ledd, der stoff taes inn og spaltes av igjen. Med katalyse kan prosessene være enklere, kreve færre stoff, og ta kortere tid. ‘Hemmeligheten’ er bruk av  enzymer, stoff som får reksjonene til å gå hurtigere og bedre, uten å bli brukt selv. Man kan da oppnå å få andre og bedre produkter, større effektivitet – atså høyere virkningsgrad – og flere resultat per tidsenhet. Katalyse brukes blant annet i produksjonen av legemidler, som i syntesen av iboprofen. Et annet område for bærekraft er polymerisering av fettsyrer i petrokjemien. I plastproduksjonen nå er olje råstoffet – her kan vi endre råstoff til alger, en fornybar ressurs.

Laboratorieøvelsene på kurset understøtter forklaringene fra forelesningene. Første øvelse på samlingen var produksjon av sølv-nanopartikler. Partiklene absorberer ulike deler av det elektromagnetiske spekteret, etter størrelse. en oppløsning med partiklene gir derfor forskjellig farge.

På kursets andre dag åpnet Svein Are Mjøs med et foredrag om kjemiske separasjonsmetoder. Et eksempel er kromatografi, som lett kan utføres med enkle midler i skolen. Tusjstreker på et porøst papir vil trekke oppover i papiret dersom det blir satt ned i et løsemiddel. Lignende teknikker blir brukt til bestemmelse i laboratoriene, som for eksempel ved kapillærkromatografi. Forskjellige farger vil trekke ulikt høyt opp, etter hva de er laget av. I kjemien blir det også brukt fasefordeling for å separere og bestemme stoffer. Om vi leder molekyler ned i to faser av løsemiddel, for eksempel væske og gass, vil stoffet få en ujebn fordeling i fasene, for eksempel 70/30. Det vil skje en utveksling av molekyler til løsningsprosenten i hver fase er optimal. Om vi setter fasene i bevegelse mot hveandre, vil opptaket til den mobile øke. Det vil si at om en gass beveger seg over et metallfilter, blir det tatt opp forholdsvis flere molekyler til gassen.

Massespektrometri arbeider med et annet prinsipp: man sender molekylær inn i en bane, og finner hvor stor kraft det koster å holde dem i bane med sentripeltalkraften. Med denne metoden går det an å finne bestandeler i et stoff med mikro- eller pikogramstørrelse. teoretisk er det mulig å måle enketlmolekyler med massespektrometrimetoden. Vi får altså et mål for molekylmassen, og vet hvilket stoff vi har.

Emulsjoner var tema for foredraget til Kristine Spildo.Vi er vant til at regelen ‘likt løser likt’ stemmer, og at vi kan løse opp for eksempel fettstoffer i fettløsninger.

Noen ganger vil vi likevel ha et stoff av en type løst i et annet, som det ikke er blandbart med. Som fettstoffer eller olej i vann. Det ‘fremmede’ stoffet, dispergert fase, må da finfordeles i den kontinuerlige fasen, her vannet. Vi må etablere mindre og mindre dråper, noe som medfører at olejns overflate mot vannet øker. Slik etablering av nytt areal krever arbeid, etter en formel for mengde tilført energi som også avhenger av grenseflatespenningen mellom de to stoffene.

Mange av stoffene vi omgir oss med, er emulsjoner. Hudkre er ett eksemple, majones et annet. V ønsker da at blandingene skal være mest mulig stabile, det vil si ikke skille seg. Årsaker til utsabilitet kan være flere. Forksjell i tethet er én, det dispergerte stoffet flyter opp eller synker til bunns. Flokkulering, at det oppløste stoffet samler seg i klumper, kan skyldes en av to effekter: Store bobler vil vokse på bekostning av små, eller koalesens, at det er mindre energikrevende med midre overflatareal. I stabile emulsjoner ser vi fellestrekk; de har små dråper med uniform størrelse, og mekanismer som hindrer kontakt mellom dråpene. For å stabilisere emulsjonen kan vi også tilsette en emulgator, et stoff som blokkerer kontakten mellom de to stoffene. Emulgatoren har to deler; én som frastøtes av det stoffet, og tilsvarende for det andre. Til slutt viste Spildo virkningen med stoffer som kan være aktuelle å bruke i skoleforsøk med emuljsoner; eggeplomme som emulgator i olje/vann-løsninger. Her er mye interessant kjemi – og mange muligheter for utforsking og undervisning.

Bengt Erik Haug er professor ved Senter for farmasi. Haugs spennende foredrag dreide seg om marin bioprospektering for nye legemidler.

8 av 10 legemidler er inspirert av naturen, de er enten naturstoffer eller kopier av slike. I havet finnes flertallet av dyrene, mange finnes bare i havet.Det er identifisert 3000 nye stoffer fra manrine organismer de siste 30 årene.

Det er bare de aller største farmasi-kosernene som kan utikle nye legemidler – fordi det er dyrt og tidkrevende. I Norge har vi likevel en nasjonal strategi for å screene havet etter stoffer som kan inngå i nye legemidler. Forskergrupper er i gang med å samle inn og kartlegge mulige kandidater til  ny medisin. Man isolerer molekyl som kan være aktuelle. det viser seg at stoff som er brukbare til emdisin har noen fellestrekk, slik at det går an å sette opp kriterier. Molekylen må ikke være for store, og ikke ha for mange donor- og akseptgrupper for binding. Når et stoff som kan være aktuelt er isolert fra en organsime, blir det testet, og gjerne forenklet og syntetisert. Det kan vise seg at en sekvens av et stort molekyl er den aktive delen, og at man slik kan forenkle strukturen, få et letter molekyl som også er enkelre å fremstille kunstig. Langs kysten samarbeider nå forskere i et nettverk – BOSNet – for å komme opp med flest mulig molekylstrukturer som kan utvikles videre tillegemidler, og kommersialisreres. Så vil tiden vise om alle nye funn vil bli kjøpt opp av konsernene, eller om vi skal utvikle en najsonal industri som tar hånd om hele verdikjeden.

Gjennom egne undersøkelser og laboratoriearbeid kom deltakerne nærmere i kontakt med metodene for separasjon og analyse av stoff. Deltakerne fikk selv arbeide med oljen og dehydrere fettsyrene, slik at det ble dannet fast, herdet fett.

 

På laboratoriene møtte de så tre ulike separasjonsmetoder. Bjarte Holmelid viste massespektrometrien i praksis. En ørliten masse av stoffet som analyseres sendes gjennom en syklotron – bare litt mindre end en vi hørere om i Sveits -og maskinen måler kreftene som skal til for å holde molekylene i bane. Resulattet – stoffenes ‘avtrykk’ kommer ut som en graf.

På IR-labben demonstrerte Egil Nodland hvordan fotospektrometri fungerer. Atomkjerner vibrere omkring en likevekt. Man kan derfor se hvilket ‘avtrykk’ et stoff gir i det elektromagnetiske spekteret, og sammenholde med en korrelasjonstabell for kjente stoff. Deltakeren kunne analysere også andre stoffer enn oljeprøvene – og selv med minimal øving i metoden se om stoffene i prøven inneholdt organisk eller uorganisk materiale.

2016-04-28 13.55.31

UiB har også superledende magneter for NMR-spektroskopi. Nils Åge Frøystein viste hvordan en prøve blir analysert i det krfatige magnetfeltet. Magneten, som er 30000ganger kraftigere enn jordmagetismen, blir kjølt ned til 7 grader Kelvin med flytende helium. Stoffet settes ned midt i magnetfeltet, og det blir sendt inn radiobølger, Hvert stoff har sin resonansfrekvens, som kan detekteres og fremstilles på en graf.

Førsteamanuensis Bjørn Grung var ansvarlig for helhet i programmet de to kursdagene. Med en logsik progresjon og sammenheng mellom foredrag, øvinger og demonstrasjoner ble det tettpakkete, faglig sterke og spennende kursdager for deltakerne. Kurset på kjemisk institutt avsluttet samlingene på Naturfag 2.