Hannu Vuori laski väitöstutkimuksessaan aineiden termodynaamisia ominaisuuksia yli 300 fosforin, piin ja boorin yhdisteelle. Tuloksia on jo sisällytetty Metso Outotecin HSC Chemistry -ohjelmistoon, jota yli 18000 asiakasta käyttää yli sadassa maassa.
Kemiallisissa reaktioissa aineet muuttuvat toisiksi aineiksi, jolloin energiaa joko vapautuu tai sitoutuu. Reaktioiden energianmuutoksia tutkii kemiallinen termodynamiikka, jonka teorioiden avulla voi selvittää esimerkiksi, voiko jokin tietty reaktio tapahtua ja kuinka suuri on tapahtuva energian muutos.
Teorioiden hyödyntämiseen tarvitaan yksityiskohtaista tietoa aineiden termodynaamisista ominaisuuksista. Niitä on määritetty laajasti vain muutamille tuhansille aineille. Erilaisia kemiallisia yhdisteitä on miljoonia. Onkin tarvittu tehokkaampia keinoja kemiallisten yhdisteiden termodynaamisten ominaisuuksien arviointiin.
Miten saada tuloksia järkevässä ajassa?
Hannu Vuoren väitöstutkimus Extending Benson Group Increment Theory to Compounds of Phosphorus, Silicon, and Boron with Computational Chemistry tarkastettiin joulukuussa Jyväskylän yliopistossa. Hän hyödynsi tutkimuksessa moderneja kvanttikemiallisia menetelmiä.
Kvanttikemiassa fysiikan kvanttimekaniikan menetelmiä hyödynnetään kemiallisten ongelmien tarkasteluun tietokoneen avulla. Esimerkiksi molekyylien ominaisuuksia voidaan mallintaa erittäin tarkasti.
”Määrittämäni ominaisuudet ovat monessa tapauksessa huomattavasti tarkempia kuin aiemmat kokeelliset tulokset”, Vuori kertoo.
Laskennallisten tulosten avulla Vuori pystyi 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.”
Arviointi tuottaa tarkkoja tuloksia nopeammin kuin laskenta
Yhdisteiden termodynaamisia ominaisuuksia voidaan myös arvioida, sillä ne riippuvat hyvin systemaattisesti niiden rakenteista ja toistuvien rakenneyksiköiden eli kemiallisten ryhmien määrästä.
”Arvioivat menetelmät ovat erittäin nopeita ja myös tarkkoja, mikäli käsiteltävät yhdisteet ovat riittävän samankaltaisia ja analyysin pohjana oleva data on tarkkaa”, Vuori kertoo.
”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. Myös puolijohdeteollisuudessa, energian varastoinnissa ja vetyteknologiassa on käyttöä tutkimustuloksille.
”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”, Hannu Vuori sanoo.
”Nyt jo näitä ensimmäisten julkaisujemme tuloksia on sisällytetty esimerkiksi MetsoOutotec Oyj:n HSC Chemistry -ohjelmistoon, jota yli 18 000 asiakasta käyttää yli sadassa maassa.”
“Arvioivat menetelmät ovat erittäin nopeita ja myös tarkkoja, mikäli käsiteltävät yhdisteet ovat riittävän samankaltaisia ja analyysin pohjana oleva data on tarkkaa.”
Eläkkeeltä väitöstutkijaksi
Hannu Vuori valmistui ylioppilaaksi Jyväskylän Lyseosta 1967, luonnontieteiden kandidaatiksi Jyväskylän yliopistosta 1971 ja filosofian maisteriksi Jyväskylän yliopistosta 1982.
Opintojensa aikana hän teki opetustöitä useilla eri paikkakunnilla. Maisterin tutkinnon suorittamisen jälkeen hän siirtyi ohjelmistosuunnittelijaksi Olivetti Suomi Oy:lle. Myöhemmin tie vei ohjelmistopuolelle Nokia Mobile Phones -yksikköön. Tieto Oyj:llä hän työskenteli Nokian matkapuhelinkeskuksen ohjelmiston ylläpidossa ja kehityksessä.
Kun Vuori jäi eläkkeelle, hän aloitti jatko-opinnot Jyväskylän yliopiston kemian laitoksella. Väitöstutkimus on saanut rahoitusta Suomen Akatemialta.
Lähde: Jyväskylän yliopisto
Tilaa uutiskirjeemme!
Saat uusimmat uutiset suoraan sähköpostiisi
