Onderzoekers van de Simon Fraser University leveren nieuwe inzichten op over hoe chemische reacties kunnen worden begrepen en geleid. De resultaten van hun interdisciplinaire aanpak zijn gepubliceerd in Physical Review Letters.

Hoewel chemische reacties erg complex kunnen zijn, volgen ze vaak een reeks elementaire stappen naarmate ze vorderen. In hun werk, SFU chemie Ph.D. student Miranda Louwerse en professor natuurkunde David Sivak ontdekten dat de informatie die een reactiecoördinaat geeft over hoe een reactie verloopt, precies overeenkomt met hoe dissiperend die coördinaat is.

Hun bevindingen wijzen op een diepe verbinding tussen twee voorheen verschillende gebieden van de fysica:stochastische thermodynamica, die energie- en informatieveranderingen beschrijft, en overgangspadtheorie, die reactiemechanismen beschrijft.

Door een verband tussen deze twee velden te ontdekken, heeft het paar een raamwerk kunnen creëren om de informatie over een reactie in de systeemdynamiek te kwantificeren, wat een fysiek begrip geeft van wat het betekent dat bepaalde dynamiek relevant is voor die reactie.

Dit begrip is vooral nuttig om onderzoekers te helpen bij het navigeren door enorme datasets.

De onderzoekers merken op dat vooruitgang in de informatica het gemakkelijker dan ooit maakt om complexe systemen en chemische reacties te simuleren, maar samen met nuttige informatie kunnen deze simulaties enorme hoeveelheden externe gegevens produceren. Dit raamwerk kan onderzoekers helpen signaal van ruis te scheiden, zodat ze precies kunnen volgen hoe een reactie verloopt.

In de toekomst zal dit onderzoekers en ingenieurs helpen om knelpunten in de productie van chemicaliën beter te identificeren, waardoor het gemakkelijker wordt om interventies te ontwerpen die meer controle over reacties mogelijk maken.

Door een begeleid ontwerp kunnen ze een snellere en goedkopere productie van chemicaliën realiseren met minder afval. Het kan ook leiden tot een grondiger begrip van hoe farmaceutische medicijnen in het lichaam werken, en suggereert manieren om medicijnen te ontwikkelen met minder schadelijke bijwerkingen.

Dit inzicht roept ook enkele intrigerende mogelijkheden op voor meer communicatie tussen en tussen disciplines. Het vaststellen van de fundamentele gelijkwaardigheid tussen basisconcepten in verschillende velden helpt theoretici de gevestigde theorie van het ene veld naar het andere toe te passen. Dit biedt mogelijkheden om methoden voor het meten van energiedissipatie aan te passen om reactiemechanismen te identificeren, en kan in de toekomst meer inzicht opleveren.

"We waren hier niet naar op zoek", zegt Sivak. "We vonden het tijdens het bestuderen van iets anders, maar het past goed in ons brede onderzoeksgebied om het samenspel van energie, informatie en dynamiek in biologische functies op moleculair niveau te begrijpen." + Verder verkennen

Terugspoelen indrukken om chemische reacties in meerdere stappen te voorspellen