Walter Kohn
19 Nisan’da Viyana’da doğan Kohn 1939’da Viyana’da doğdu. 1939’da Avusturya’nın Nazi Almanyası tarafından ilhak edilmesinden kısa bir süre sonra, Kohn’un ailesi onu Yahudi çocukları Avrupa’da kurtarmak için Kindertransport’tan bir konvoyla İngiltere’ye gönderdi Savaş başlamadan önce. Annesi ve babası daha sonra Auschwitz’de öldürüldü. Ödül, kuantum kimyasında hesaplamalar üzerine bireysel çalışmalarını kabul etti. Ödülün Kohn’un payı, kuantum mekaniğinin karmaşık matematiği atomlar arasındaki kimyasal bağların tanımlanmasına ve analizine uygulanmasını mümkün kılan yoğunluk fonksiyonel teorisinin geliştirilmesini onayladı.
1940’da, bir Alman pasaportunun sahibiyken, Kohn, Kanada’da bir dizi tutuklama kampının ilkine gönderildi. Bir kez serbest bırakıldıktan sonra, University of Toronto’da matematik ve fizik alanında lisans derecesi ve uygulamalı matematik alanında yüksek lisans yapmaya başladı. 1948’de Cambridge, Massachusetts’deki Harvard Üniversitesi’nde nükleer fizik alanında doktorasını tamamladı; Danışmanı Nobel ödüllü teorik fizikçi Julian Schwinger’di.
Yerli Avusturya’dan göç eden Kohn, 1946’da Toronto Üniversitesi’nden (Ontario, Kanada) yüksek lisans derecesi aldı. Doktora derecesini aldı. Harvard Üniversitesi’nden fizikte 1948’de ders vermiş ve 1948-50’de orada öğretmiştir. 1950’de Carnegie-Mellon Enstitüsünde (Pittsburgh, Pennsylvania) fizik profesörü oldu ve San Diego’daki (1960-79) California Üniversitesi ve Santa Barbara’daki (1979-91) Kaliforniya Üniversitesi’nde profesörlük yaptı. 1991’de emekli oldu.
Walter Kohn’un, elektronların düzenlenişinin bir materyalin karakterinden ne anladığını derin bir şekilde sorgulaması, yoğunluk fonksiyonel teorisine yol açtı. Elektron enerjilerini öngören teori, malzemelerin özelliklerini ve kimyasal tepkimelerin sonuçlarını hesaplama çabalarında temel bir araç haline geldi. Bazıları kuantum kimyasını, moleküllerin çalışmasına kuantum mekaniğin uygulanmasını devrim yaptığını söylüyor.
1950’lerde ve 1960’larda, fizikçiler bir materyaldeki elektronların enerji durumlarını hesaplamak için iki farklı yaklaşım kullanıyorlardı. Her iki yaklaşımda da, enerji peyzajının, elektron yoğunluğunun dağılımı da dahil olmak üzere, bir sistemin özelliklerinin tahmini için anahtar olduğu düşünülmektedir. Yoğunluk fonksiyonel teorisi, enerji peyzajı ile elektron yoğunluğu dağılımı arasındaki neden ve etki rollerini değiştirdi. Bu, elektronik ve fotosentez gibi teknolojilere ve yaşamdaki işlevsel önemin özelliklerini hesaplamanın bir yolunu açtı.
Kohn, 1960 civarında, bir metale bir safsızlık eklendiğinde, elektron yoğunluğunun mekansal dağılımına olan değişimi incelemeye başladı. Pozitif yüklü bir yabancı madde için, elektronlar beklendiği gibi etrafına yığılırlar. Ayrıca, elektronların kuantum özelliklerini yansıtan dalga benzeri bir dağılım (Friedel salınımları) sergilerler. Bu kuantum özellik Kohn’a, elektron yoğunluğunun diğer mülklerin anahtarı içerdiğini incelemesine yol açtı. 1964’te Paris’te şansta bulunarak Pierre Hohenberg, École Normale Supérieure’de post-doc, Hohenberg-Kohn yoğunluk teoremi kurdu. Bu, çok elektronlu bir sistemin özelliklerini elektron yoğunluk dağılımı (enerji peyzajı değil) belirlediğini belirtti.
San Diego’ya döndükten sonra, Kohn postdoc David Mermin’i teoremi bütün sıcaklıklara uygulamak için genelleştirmeye çağırdı. 1965’te başka postdoc (me) ile malzemelerin özelliklerini hesaplamak için yoğunluk fonksiyonel teorisini kullanmanın bir yolunu kurdu.
Kohn’un San Diego’daki doktora öğrencisi Philip Tong, asal gazların ve sodyum kafes atomlarının elektron enerjilerini çıkarmak için yoğunluk fonksiyonel teorisini ilk uygulayan kişi oldu. Postdoc Norton Lang ile birlikte Kohn, teoriyi 1970’lerin başında metal yüzeylerin özelliklerini hesaplamak için uyguladı. Kohn ve Lang, yüzey fizikine yaptıkları katkılardan ötürü 1977’de Davisson-Germer ödülünü kazandı. Kohn, yoğunluk fonksiyonel teorisi üzerine yaptığı çalışması için 1998 Nobel Kimya Ödülünü paylaştı.
İsveç Kraliyet Akademisi’nden yapılan basın bülteni Kohn’un eserlerini şöyle anlatıyor:
Araştırmacılar uzun zamandır, moleküllerdeki atomlar arasındaki bağların nasıl çalıştığını anlamaya yönelik yöntemler araştırmışlardır. Bu yöntemlerle moleküllerin özelliklerini ve aralarındaki etkileşimi hesaplamak mümkün olur. 1900’lü yılların başında fizikte kuantum mekaniğinin gelişmesi yeni olanaklar açtı, ancak kimya içerisindeki uygulamalar uzun sürdü. Moleküller gibi kompleks sistemler için kuantum mekaniğinin karmaşık matematiksel ilişkilerini idare etmek pratik olarak mümkün değildi.
Kuantum fiziğinin kurucularından Dirac, sorunu 1929’da şöyle ifade etti: “Fizikteki büyük bölümlerin ve tüm kimyanın matematiksel olarak işlemesi için gerekli olan temel yasalar bu nedenle tam olarak biliniyor ve zorluk yalnızca bu yasaların uygulanması, çözülmesi çok karmaşık denklemlere yol açar.
Bilgisayarlar, bu denklemlerin çözümü için kullanıma girdiğinde 1960’ların başında başladı ve kuantum kimyası (kuantum mekaniğinin kimyasal problemlere uygulanması) yeni bir kimya dalında ortaya çıktı. 1990’ların sonuna yaklaştığımızda muazzam bir teorik ve hesaplamalı gelişmenin sonucunu görüyoruz ve sonuç kimyanın tümünü devrimleştiriyor. Walter Kohn ve John Pople bu süreçte en önemli iki kişidir. W.Kohn’un teorik çalışması, bugünkü hesaplamaların birçoğu için ön şart olan atomların bağlanmasının tanımlamasında matematiği basitleştirmenin temelini oluşturdu. J. Pople, şimdi çeşitli kimya dallarında kullanılan tüm kuantum-kimyasal metodolojiyi geliştirdi.
1990’ların sonuna yaklaştığımızda muazzam bir teorik ve hesaplamalı gelişmenin sonucunu görüyoruz ve sonuç kimyanın tümünü devrimleştiriyor. Walter Kohn ve John Pople bu süreçte en önemli iki kişidir. W.Kohn’un teorik çalışması, bugünkü hesaplamaların birçoğu için ön şart olan atomların bağlanmasının tanımlamasında matematiği basitleştirmenin temelini oluşturdu. J. Pople, şimdi çeşitli kimya dallarında kullanılan tüm kuantum-kimyasal metodolojiyi geliştirdi.
John Pople, moleküllerin, özelliklerinin ve kimyasal tepkimelerde birlikte hareket etmelerinin teorik olarak incelenmesini mümkün kılan hesaplama yöntemleri geliştirdiği için ödüllendirildi. Bu yöntemler, diğerlerinin yanı sıra fizikçi E. Schrödinger tarafından tanımlanan kuantum mekaniğinin temel kanunlarına dayanmaktadır. Bir bilgisayar, bir molekül veya kimyasal tepkime özelliğinden beslenir çıktı o molekülün özelliklerinin bir tanımı veya bir kimyasal reaksiyonun nasıl gerçekleşebileceğidir. Sonuç genellikle farklı deney sonuçlarını göstermek veya açıklamak için kullanılır. Pople GAUSSIAN bilgisayar programını tasarlayarak hesaplamalı tekniklerini araştırmacılar tarafından kolayca erişilebilir hale getirdi. İlk sürümü 1970 yılında basıldı. Program o zamandan beri geliştirildi ve şu anda dünyanın dört bir yanındaki üniversitelerde ve ticari şirketlerde binlerce kimyager tarafından kullanılmaktadır.
1960’lı yıllarda, Avrupa’daki ve Amerika’daki birçok araştırma grubu, bilgisayarın büyük potansiyelini kullanmak için ateşli bir şekilde başladı. Yeni hesaplama yöntemleri geliştirildi ve rafine edildi. John Pople bu alanda önde gelen bir kişiydi. Teorik yöntemlerin kimya içinde herhangi bir önem kazanması halinde, sonuçların herhangi bir durumda ne kadar doğru olduğunu bilmesinin gerekli olduğunu fark etti. Buna ek olarak, kaynakların çok talep edilmemesi ve kullanımı kolay olmalı. Teorik metodolojide 1960’lı yılların sonundaki önemli ilerlemeler sayesinde Halk, bir dizi kararlı noktada başkalarının çabalarından daha üstün bir bilgisayar programı tasarladı. Yukarıda bahsedilen ön koşullar yerine getirilebilir ve GAUSSIAN-70, programa çağrıldıklarında çok yakında yaygınlaştı. Pople 1970’li ve 1980’li yıllarda metodolojiyi geliştirmeye ve aynı zamanda iyi belgelendirilmiş bir model kimyası oluşturmaya devam etti. Burada 1990’ların başında Kohn’un yoğunluk fonksiyonel teorisini içerecek şekilde başardı. Bu sayede her geçen gün daha da karmaşık olan molekülleri analiz etmek için yeni imkânlar açıldı.
Kuantum kimyası bugün kimya ve moleküler fizik dallarının tümünde kullanılmaktadır. Teori, moleküller ve bunların etkileşimleri hakkında niceliksel bilgi üretmenin yanı sıra, tek başına deneylerden elde edilemeyen moleküler süreçlerin derinlemesine anlaşılmasını sağlar. Teori ve deney bugün maddenin iç yapısını anlama arayışında birleştirir. O halde kuantum-kimyasal hesaplama nasıl yapılır?
Bilgisayarın önünde oturup quantum kimya programına başlıyoruz. Menüden bir karbon atomunun (C) bir hidrojen atomuna (H), bir amino grubuna (NH2), bir tiyolatometil grubunun CH2SH’ye ve bir karboksil grubuna (COOH) bağlı olduğu bir molekül seçiyoruz. Bilgisayar ekranda molekülün sert bir resmini çekiyor. Artık bilgisayara, molekülün geometrisini bir kuantum-kimyasal hesaplama ile belirlemeliyiz. Kaba bir sonuçla içeri girersek bir dakika, aksi takdirde yüksek doğruluk isterse bir gün sürebilir. Ekran görüntüsü, önceden belirlenmiş bir düzeye kadar daha yüksek doğrulukta kademeli olarak değişir. Bu işlem bittiğinde, bilgisayarın sistem için farklı özellik hesaplamasını isteyebiliriz. Yukarıdaki resimde sabit elektron yoğunluğuna sahip bir yüzey hesapladık. Yüzey elektrostatik potansiyelin değerine göre renklidir. Bu, örneğin, molekülün çevredeki diğer moleküllerle ve yüklerle nasıl etkileşime girdiğini tahmin etmek için kullanılabilir. Bu bilgiler, (amino asitlerden oluşan) proteinlerin farklı substratlar ile nasıl etkileşime girdiğini incelemek için kullanılabilir; İlaçlarda.
Başka bir örnek, yıldızlardan ve gezegenlerden başka, büyük miktarda yıldızlararası maddenin bulunduğu, çoğunlukla muazzam bulutlarda toplanan evrenden alınabilir. Bu mesele ne oluşur? Yeryüzünden moleküllerin yaydığı radyasyon ile incelenebilir. Radyasyon, moleküller döndüğünden oluşur. Dolayısıyla radyasyonun frekans spektrumunu kullanarak moleküllerin kompozisyonunu ve görünümünü belirlemek mümkündür. Bununla birlikte, özellikle laboratuarda bu moleküllerin her zaman üretilememesi nedeniyle karşılaştırmalı çalışmalar için malzeme elde etmek çok zor bir iştir. Bununla birlikte, Quantum kimyası bu sınırlamalardan muzdarip değildir. Kabul edilen yapılara dayanan hesaplamalar, telsiz teleskopu tarafından toplanan verilerle doğrudan karşılaştırılabilen radyo emisyon frekansları hakkında bilgi verebilir. Bu şekilde, teori ve ölçüm birlikte yıldızlararası maddenin moleküler kompozisyonu hakkında bilgi verebilir.
Başka bir örnek. Atmosferin üstünde, güneşten gelen mor ötesi ışınlardan bizi koruyan ince bir ozon molekülü tabakası var. Atmosfere saldığımız maddeler (örneğin, freonlar) ozon tabakasının tahrip olmasına neden olabilir. Nasıl olur? Hangi kimyasal reaksiyonlar söz konusudur? Kuantum-kimyasal hesaplama ile bunları ayrıntılı olarak tarif edebilir ve böylece onları anlayabiliriz. Bu bilgi, atmosferimizi daha temiz hale getirmek için adımlar atmamıza yardımcı olabilir.
Kuantum kimyası, maddenin iç yapısı hakkındaki bilgimizi arttırmak amacıyla günümüzde hemen her kimya dalında kullanılmaktadır. Walter Kohn ve John Pople’un bilimsel çalışması, bu yeni araştırma alanının geliştirilmesi için hayati önem taşımaktadır.
Hohenberg-Kohn teoremi yayınlandıktan birkaç yıl sonra teorik kimyagerler, neredeyse oybirliği ile elektron yoğunluğu dağılımının merkezi rolü üzerine itirazda bulundu. Yoğunluk matrisi olarak bilinen daha genel bir mülkün tüm elektronik özelliklerin kaynağı olduğunu ispatlayabilirler. Bu matriste yalnızca bir bileşen olan elektron yoğunluk dağılımının aynı öngörü gücünü sunamadığını düşünüyorlardı. Sonuçta, insanlar teoremin kanıtının sadeliği ve faydasını gösterdiği çok sayıda araştırmacı çabasıyla ikna edildi.
Walter araştırmasında titizti- spor dalında maceracıydı. 1996’da Amerikan Fizik Topluluğunun yıllık toplantısında yaygın olarak beklenen yoğunluk fonksiyonel teorisi üzerine konuşmadan önceki gün omuz kayağını bozdu ve onun yerine konuşmamı istedi. Avusturya’da çocukluğunda yapmış olduğu kayak atlamalarını hatırlatan bir atlama başlatmak için bir Moğol kullandığını söyledi. Başka bir vesileyle, büyük kızı Marilyn’i ve beni rüzgârlı bir günde Kaliforniya’daki La Jolla Shores plajında sörfün ötesine geçtim. Tekne devrildi ve sahile doğru ittiğimizde sörf elimizden alındı.
Walter sosyal konular hakkında derin ilgilendi. San Diego’da Yahudilik eğitim programını terfi etti. Kaliforniya Üniversitesi’nin Los Alamos, New Mexico ve Livermore, California’daki ulusal silah laboratuvarlarıyla olan ortak çalışmasının sesli bir eleştirmeniydi. Ve güneş enerjisini tanıtan bir belgesel film üretmekten gurur duyuyordu.
Walter hayran bir akıl hocalığı ve meslektaşıydı ve yörüngesinde gelen birçok kişi tarafından özlenecekti.
