Otto Bastiansen og elektrondiffraksjon i Norge

Denne nettsiden er basert på en artikkelserie skrevet av Kari Kveseth for bladet Kjemi. Innholdet er gjengitt med tillatelse og du kan lese den originale publikasjonen pdf hos Kjemi her.  

Otto Bastiansen

Forskningspolitikk

Samfunnsdebattant

Internasjonalt nettverk

Om forskningsgruppen

Historien om Gassfase Elektrondiffraksjon (GED)

Personene bak suksesshistorien

Nøkkelpersoner

Metoden 

Instrumentene

Oslo-apparatet

Modernisering

 

Otto Chr. Bastiansen (1918-1995)  

Bilde 1, Otto Bastiansen ved skrivebordet, bildet er hentet fra MUV

En grunnforskningens entreprenør 

Bastiansen (bilde 1)[1]karakteriseres som åpen, uformell, iderik og samarbeidsorientert. Han var entusiastisk, inspirerende og engasjert, en stor miljøbygger og preget av en aldri sviktende optimisme. Hans ledelse var knyttet til hans naturlige autoritet. Kjemisk institutt kan takke Bastiansen for den sterke posisjonen strukturkjemien har ved instituttet samt utviklingen av universitets-demokratiet. To områder som har stor betydning for instituttets arbeid idag.  

Otto Bastiansen var en viktig støttespiller i arbeidene som førte til Odd Hassels Nobelpris i 1969. Han videreførte arven fra Hassel både faglig og som etterfølger. (Bilde 2).  Drivkraften i hans arbeider var den faglige interessen som han beholdt hele livet, selv om samfunnsinteressene etter hvert overtok hans engasjement og tid. Hans medarbeidere overtok ansvaret for å drive elektrondiffraksjon videre fremover i stor grad inspirert av og tuftet på Bastiansens ideer og veiledning. 

 Forskningspolitikk

Bastiansen var en forskningspolitiker av rang. Bastiansen karakteriseres som åpen, iderik, samarbeidsorientert og preget av en aldri sviktende optimisme. Han var ikke den store administratoren, men hans entusiasme inspirerte og fikk mange med på laget.

Han var for de demokratiseringsprosessene (Bilde 3) som foregikk ved universitetet, som la grunnlaget for fremveksten av et moderne universitet (Bilde 4).

Odd Hassel og Otto Bastiansen dagen da Nobelpristildelingen ble kjent, bildet er hentet fra MUV

Bastiansens hoved ide[3]var at grunnforskning spilte en avgjørende rolle ikke bare i all faglig utvikling, men også for samfunnsutviklingen. I diskusjonen om Norge som et lite land, hvor flere hevdet at vi kun burde konsentrere oss om å anvende resultatene av internasjonal forskning, uttalte han at dette aldri ville fungere;

«I consider all universities and all research institutes as an international unbureaucratic system of linkages. Universitas Mundi, the University of the World. We have an international bank of knowledge, but you can draw from this bank only if you contribute to it”.

Han skrev utallige artikler og innspill om dette. Hans engasjement i universitetets ledelse, i NAVF og Vitenskapsakademiet viste betydningen han tilla grunnforskningen. I Vitenskapsakademiet var han en sterk pådriver i å engasjere Statoil i et eget grunnforskningsprogram – Vista-programmet, som mange av universitets grupper, også A. Haaland fra GED-gruppa, nøt og nyter godt av den dag i dag.

Bastiansens forelesninger og foredrag ble fremført med stor entusiasme som var så smittende at tilhørerne kanskje ble mer overbevist av framføringen enn budskapet. Han spedde på med anekdoter og eksempler fra alle sider av forskningen, også humaniora og samfunnsforskningen. 

Han var en meget klok, reflektert og entusiastisk veileder både faglig og i faglige relasjoner. Han inspirerte med valg av problemstillinger, men ble etter hvert for opptatt til å engasjere seg i forskningen. Han tok studentene på alvor, lot de unge forskerne stå som eneforfattere på artikler som kom fra hans gruppe og var opptatt av å bedre kjønnsbalansen ved rekruttering av unge forskere (bilde 5).

   
Bilde 3; MUV; Valgkomiteen 1974 overrekker sin innstilling
Bilde 4; MUV, Industriseminatret "Forsker møter fagbevegelsen"

     

Samfunnsdebattant

Bastiansen var samfunnsengasjert og en aktiv debattant bl. annet i NRK (se Åpen Post, NRK 1960), i student og akademiske fora. Han var en radikaler og sterkt engasjert i fredsarbeid. Han var bl.a. aktiv deltaker i aktiviteter mot atomvåpen og deltok i Pugwash-bevegelsen[4],[5]sammen med bl.a. Pauling (bilde 6) og andre berømte forskere, flere av dem Nobelprisvinnere.

 

 

 

Internasjonalt nettverk

Bilde 5, MUV, Første disputas i Universitetets historie med bare kvinnelige aktører 1979.

Internasjonal samarbeid har vært et viktig varemerke for GED-gruppen siden Hassels dager, sto sterkt ved Bastiansens oppfølging og har satt varige spor etter seg ved Kjemisk institutts øvrige satsninger siden da. 

Bastiansens engasjement og store internasjonale nettverk kom hele gruppen til gode. Den var stadig besøkt av gjesteforskere fra hele verden, mange fra USA, men også Sovjet/Russland, Japan og flere europeiske land, blant annet UK, Tyskland og Ungarn. Det var viktig for Bastiansen å knytte kollegiale bånd til Sovjet og Øst-Europa under den kalde krigen. Han lærte seg russisk under 2. Verdenskrig av russiske krigsfanger, noe som kom godt med i hans innsats for å fremme samarbeidet mot Øst-Europa. Et fremragende eksempel på det vi i dag kaller «science diplomacy». Samarbeidet med Sovjet/Russland og Ungarn fortsatte i hans spor helt fram til i dag. (Bilde 7). 

Professor Ken Hedberg, Oregon State University, besøkte Oslo jevnlig og mottok en rekke norske forskere i Norge på gjenvisitt. I sin bok “Fifty Years of GED Structure Research” (2005) sier Hedberg om Bastiansen;

 

There is almost nothing in my professional life that has not been touched by Otto’s hand in some way. His kindness and helpfulness led to his country becoming a second home to me”.

Professor Istvan Hargittai, Hungarian Academy of Sciences, også en hyppig besøkende til Oslo, gir uttrykk for tilsvarende oppfatninger i sin bok om “The Bastiansen Phenomenon» (1998);

Otto was among the determining factors of my life”. Begge disse uttalelsene understreker at Bastiansen i tillegg til å legge til rette for et sterkt internasjonalt samarbeid, også betydde mye for utviklingen av disse kontaktene gjennom sitt personlige engasjement. 

Bilde 6, MUV, Foto Arvid Mostad: Linus Pauling foreleser ved Universitetet i Oslo
Bilde 7, MUV, 1975 Den internasjonale elektrondiffraksjonsgruppen fra et møte i Ungarn

 

Om gruppen for elektrondiffraksjon (GED)

Bastiansen-epoken 1955 – 1986 la grunnlaget for utviklingen av GEDs internasjonale anerkjennelse og karakteriseres av stor aktivitet, som omfattet byggingen av Oslo apparatet (bilde 8), innkjøp av det kommersielt bygde Balzers apparatet i 1967 og betydelige investeringer i utviklingen av den teoretiske forståelsen. Gruppen jobbet med avanserte programmer for databehandling og supplerende teknisk utstyr blant annet for fotometri.

Bilde 8, MUV, Oslo-apparatet med Bastiansen,                                                                                                   Ragnhild Seip og Arne Almenningen, ca 1975

Drivkreftene for utviklingen av GED var studier av kjemiske strukturer og kjemiske fenomener som indre rotasjoner og konformasjonslikevekter. Stadig større og mer komplekse molekyler ble studert, først og fremst knyttet til den stadige forbedringen av det teknologien og det teoretiske grunnlaget. Bastiansens hovedinteresse var knyttet til mindre organiske molekyler, men i økende grad engasjerte GED-gruppen seg også for mer komplekse organiske molekyler, med fleksible, forgrenede og ringformede tilknyttede grupper samt metallorganiske forbindelser. En stor portefølje av kjemiske problemstillinger som konformasjonsanalyser og nyvinninger innen metallorganisk kjemi vokste fram. Se de to artiklene om noen utvalgte vitenskapelige høydepunkt også trykket i dette nummeret av Kjemi.

Bastiansen var den store miljøbyggeren og ledet gruppen for Elektrondiffraksjon til å bli et av de vitenskapelig sett mest fremgangsrike miljøene i Norge. Gruppen for Elektrondiffraksjon fungerte på mange måter som et Center of Excellence, i dag en ettertraktet betegnelse, den gangen uvanlig organisasjonsform. Da Bastiansen flyttet fra NTH til UiO i 1962 fulgte flere av hans sentrale medarbeidere i Trondheim med, blant annet Hans Martin og Ragnhild Seip, samt Birgit Benterud/Andersen og Tor G. Strand. De ble kjernen i det miljøet som utviklet seg i Oslo. Marit Trætteberg tok da over ledelsen av gruppen i Trondheim.

Gruppen for Elektrondiffraksjon sendte én samlet søknad om støtte til NAVF knyttet til det utviklede års-programmet hvor valg av studieobjekter, bruk av instrumentene, nødvendig vedlikehold og utvikling av teknologi og beregningsprogrammer etc. framgikk. Den positive evaluering fra NAVF I 1986 gjorde det mulig å videreføre denne etter datidens uvanlige  bevilgningsform fram til 1993. NAVFs evalueringsteam uttalte i 1986[6];

“On an international scale, the groups in Norway are in the range of average to outstanding. The GED group; Outstanding achievements, International contacts are good as are interactions between experimentalists and theoreticians. Gives great support to the Bastiansen philosophy at the time. But asks; what about plans for the future and after Bastiansen”.

Dette var antakelig første advarsel om en mer utfordrende fremtid. Bastiansen begikk den samme feil som mange andre ledere. Han unnlot å utpeke en ny leder etter seg for GED-gruppen. Han mente at gruppen skulle fortsette etter de samme demokratiske prinsipper som før, og innså ikke at han hadde vært den selvsagte lederen i kraft av sin personlighet, naturlige autoritet og faglige dyktighet.

Historien om Elektrondiffraksjon (GED) i Norge[1]

 

Om  nytten av GED - viktige problemstillinger, miljøbyggere, metoden og instrumentene  

 

Kjemiske problemstillinger

Drivkraften for utviklingen av gass-elektrondiffraksjon og oppbyggingen av en sterk gruppe innen strukturkjemi var mulighetene dette ga til å studere utfordrende kjemiske problemstillinger. 

Bestemmelsen av molekylstrukturer (dvs. bindingsavstander og vinkler) har vært gjenstand for en rekke studier med elektrondiffraksjon både i Norge og i andre land de siste 70-80 år. Utviklingen av metoden åpnet mulighetene for studier av større, komplekse molekyler og av molekyler med store interne bevegelser som vibrasjoner og rotasjoner rundt bindinger mellom atomer. Det siste feltet er det som kalles konformasjons-analyse.

Den fundamentale forståelse av bindingsforholdene i et molekyl er avgjørende for stabilitet og reaktivitet, og ikke minst for molekylenes fleksibilitet som byggesteiner i større komplekse molekyler som karbohydrater, farmasøytiske produkter og miljøgifter. Studier av frie molekyler i gassfasen er nøkkelen til denne fundamentale forståelsen.

De første GED-studiene i Oslo anvendte et innkjøpt apparat fra Oxford. CCl4, CBr4 og halogenderivater av sykloheksan ble studert og publisert i 1938. Disse arbeidene demonstrerte metodens anvendbarhet[2]. Allerede fra høsten 1940 ga disse studiene støtte til Hassels hypotese om at sykloheksan og sykloheksans derivater[3],[4]var dominert av stolformen og at sykloheksan ikke var plant slik det ble hevdet av andre. Fra 1943 ble nye forbedrete studier gjort av sykloheksan og sykloheksanderivater i det nye, norsk-konstruerte apparatet. Dette viste tydelig stolformens dominans (se O. Hassel, Tidsskr. Kjemi, Bergv, Metall.3 (1943) 32).  Artikkelen ble publisert på norsk, men resulterte likevel i at Hassel ble tildelt Nobelprisen i Kjemi i 1969.  

Hassels etablering av den grunnleggende forståelsen av sykloheksanersstruktur og fleksibilitet tidlig i 1940-årene var starten for oppbyggingen av strukturkjemi ved Kjemisk institutt. Hassel og seinere Bastiansen var pådrivere i dette arbeidet. De var først og fremst interessert i strukturbestemmelse av organiske molekyler[5],[6]en tradisjon som sto sterkt i den videre utviklingen av GED-gruppen. Strukturbestemmelsene omfattet rene hydrokarboner som alkaner, alkener, alkyner og aromatiske forbindelser som benzen, men også i økende grad mer komplekse organiske molekyler som også inneholder halogen, O,S, N, P eller Si-atomer. Stor vekt ble lagt på studiet av fleksible, forgrenede og ringformede molekyler som kunne foreligge i flere former. 

Ved siden av å videreføre tradisjonen om studier av organiske molekyler og deres konformere, tok gruppen etterhvert opp studiet av metallorganiske forbindelser.  Arne Haaland og hans medarbeidere representerte en faglig fornyelse. De studerte en rekke organoaluminiumforbindelser og metallocener, det vil si molekyler hvor et metallatom er bundet til alle karbonatomene i en aromatisk ring som benzen eller et syclopentadienyl radikal. Det første metallocenet, Fe(C5H5)2 eller ”ferrocene”[7],[8]var blitt oppdaget ved en tilfeldighet i 1951, og denne oppdagelsen førte til syntese av en lang rekke lignende metallforbindelser i årene som fulgte. Både molekylstruktur og bindingsforhold i metallorganiske forbindelser avviker ofte fra dem man kjenner fra rent organiske molekyler. Både aluminiumalkyler og metallocener med innskuddsmetaller har en enorm industriell betydning som katalysatorer for Ziegler-Natta polymerisasjon av alkener.

Også andre typer forbindelser som radikaler[9] ble studert eller vurdert som nye studieobjekt.

Elektrondiffraksjons-gruppen var ikke selv eksperter på syntese av stoffene som ble studert og mottok disse fra samarbeidspartnere i hele verden. Stoffprøvene ble syntetisert av samarbeidende grupper på universiteter i Vest-Europa eller USA, som for eksempel Technische Universität München, Technische Universität Stuttgart, Max Planck Institut für Kohlenforschung (Mühlheim), Oxford University, University of Sussex, University of Reading eller University of California (Berkeley). 

Det finnes i dag mange tusen publikasjoner fra elektrondiffraksjons-studier som med høy presisjon beskriver avstander og vinkler i en rekke molekyler fra enkle etantyper til komplekse metallorganiske molekyler. Fra det norske miljøet alene ble det i perioden 1969-2006 publisert ca 850 artikler (summert fra GED-nyhetsbrev) i internasjonale tidsskrift. Inkluderes seinere publikasjoner opp til i dag ligger dette tallet på drøyt 1000 artikler. En stor del av publikasjonene viser det utstrakte samarbeidet med forskere som benyttet andre metoder og nær 75% er sampublisering med utenlandske forskergrupper. Dette viser den solide posisjonen GED-gruppen hadde internasjonalt.

Se egne artikler i Kjemi 2018 og 2019 «Om Historien om Elektrondiffraksjon (GED) i Norge» for mer detaljert beskrivelse av noen utvalgte vitenskapelige høydepunkt.

 

Litt om personene bak suksesshistorien

I tillegg til Odd Hassel og Otto Bastiansen banebrytende arbeider innen GED, som vil bli publisert i egne artikler i Kjemi i 2018 og 2019, var et stort persongalleri sentrale i utviklingen av GED-miljøets internasjonale omdømme.

 

Text Box: MUV 11692 		Gruppen for GED fra midten av 1970-talletGruppen for GED  slutten av 1970
Foto: MUV UiO ca. 1975

Arbeidet i GED-gruppa besto av kjemiske studier, utvikling av det teoretiske og metodiske grunnlaget samt teknisk utvikling og innovasjon. Det er interessant å legge merke til den tverrfaglige dialogen som den gang skjedde mellom ansatte ved instituttene for fysikk, geologi og kjemi. Dette var grunnleggende for den unike historien om elektrondiffraksjon.

Gruppen for Elektrondiffraksjonvar sentrertrundtOslo-apparatet, men hadde to faglige knutepunkt, ett ved Kjemisk institutt i Oslo og ett ved NTNU (tidligere AVH/NTH)[10].Gruppen besto i 1986 (Bastiansen mottok da professorstipend fra NAVF) av 16 ansatte, hvorav 7 fast ansatte, 5 stipendiater og 4 teknisk personale. Den store gruppen av stipendiater var karakteristisk for GED fra slutten av 1960-tallet til 1986, men hadde sunket betraktelig fra de 18 stipendiatene som var tilknyttet gruppen i 1969. Gruppens størrelse sammen med et stort innslag av internasjonale besøkende ga en betydelig arbeidskapasitet som resulterte både i et stort antall publikasjoner i internasjonale tidsskrifter, samt utvikling av det teoretiske, metodiske og teknisk/instrumentelle fundamentet. 

Fra 1985 overtok Arne Haaland og Marit Trætteberg en delt ledelse av gruppen for elektrondiffraksjon etter Bastiansen. Men en omforent helhetlig ledelse ble aldri etablert, dels fordi Bastiansen mente at dette var unødvendig, men også fordi gruppens medlemmer i hovedsak støttet dette synet.

Statistikken viser en omfattende vekst av virksomheten i perioden 1969-1986. Fra slutten av 1990-tallet begynte den langsomme reduksjonen av virksomheten med mindre økonomiske ressurser og færre stillinger, stipendiater og studenter.

Internasjonale kontakterhar karakterisert GED-gruppen helt fra oppstarten under Hassel og ble videreført med betydelig omfang til 2010. I 1976 besøkte 58 utlendinger GED-gruppen, i 2006 var dette sunket til 29. De fleste besøkene var kortvarige, ofte i form av en gjesteforelesning. Men det var også gjesteforskere som tilbrakte flere måneder, ja opptil et år, ved gruppene i Oslo og Trondheim. De internasjonale kontaktene representerte fremragende miljøer fra hele verden og resulterte i et stort omfang av felles publikasjoner. Flere av besøkene var knyttet til opplæring for utvikling av egne laboratorier og teknisk utvikling av elektrondiffraksjons-utstyret i Oslo.  

De viktigste og mest langsiktige kontaktene var Kenneth W. og Lise Hedberg, Oregon State University (US) , Quang (Mike) Shen, Colgate University (US),  James Boggs, University of Texas (US),  David Rice og Elizabeth Page, University of Reading (UK) , Wolgang Lüttke og Armin De Meijere, Universität Göttingen (Tyskland),  Istvan og Magdolna Hargettai, Hungarian Academy of Sciences (Ungarn), Y. Morino og K. Kuchizu, University of Tokyo, Japan, samt Lev Vilkov og Vladimir S. Mastryukov, Moscow State University og Georgiy og Nina Girichev, State Academy of Chemical Technology, Ivanovo (Sovjet/Russland).  Det var relativt hyppige besøk mellom disse kontaktene begge veier.  Samarbeidet med de russiske gruppene spilte en stor rolle etter perestrojka i 1991, og flere russere utførte en vesentlig del av sitt arbeid for Ph.D. graden i Oslo. Kontakten med Kenneth W. og Lise Hedberg var særlig vital og et nøkkelpunkt også for jevnlige besøkt fra den norske GED-gruppa og for mange besøk også fra andre deler av USA.

Det vitenskapelige personale sto for de kjemiske studiene, mens hele gruppen bidro til utvikling av det teoretiske og metodiske grunnlaget. Disse bidragene omtales nærmere i det etterfølgende. 

 

Nøkkelpersoner innen teknisk utvikling og innovasjon

Gruppens drivkraft var de kjemiske problemstillingene. Men det unike grepet GED-gruppen tok innen tekniske utviklingen og innovasjon, ga grunnlaget for gruppens høye anseelse internasjonalt. De mest sentrale personene innen den tekniske utviklingen var;

Christen Finbak (1904 -1954) studerte fysikk ved UiO. Han hadde usedvanlige evner til å utforme avanserte tekniske løsninger, blant annet den roterende sektoren som ble introdusert i det første norskutviklede og konstruerte elektrondiffraksjons-apparatet som sto ferdig i 1940. Finbak var også sentral i design og konstruksjon av det nye GED-instrumentet som sto ferdig i 1950. Finbak ble seinere professor i fysikalsk kjemi ved NTH (i dag NTNU).

Arne Almenningen (1921-2007) også opprinnelig fysiker, ble i tråd med samarbeidstradisjonen etablert med fysikerne, ansatt i 1948 for å videreutvikle elektrondiffraksjons-apparatet sammen med Finbak. Allmenningen hadde driftsansvaret for dette elektrondiffraksjonsapparatet (Oslo-apparatet) inntil han sluttet ved UiO i 1991. GED opptak etter 1991 skjedde kun på det kommersielt tilgjengelige Balzers- apparatet innkjøpt i 1968.

Instrumentverkstedet ved Kjemisk institutt spilte en sentral rolle i konstruksjonen av GED instrumentene og var en sentral medspiller til Finbak. Verkstedets sterke, forpliktende og konstruktive samarbeid om den tekniske utviklingen var avgjørende for den norske suksessen. Verkstedet prioriterte denne oppgaven høyt og betydelige ressursene ble satt inn for bygging av Oslo apparatene, først ledet av Verksmester Sørensen og deretter av Amund Helgesen (1925-2002). 

Svein Samdal ble ved sin ansettelse i 1993 en pådriver for modernisering av de fotometriske teknikkene og modernisering av GED-instrumentet (nye dyser etc) ofte i samarbeid med internasjonale gjesteforskere. 

I perioden mellom slutten av 1960 og midten av 1990 ble flere ingeniører ansatt for å dekke et betydelig driftsansvar knyttet til det gamle (Oslo-apparatet) og det nye (Balzers) elektrondiffraksjons- instrumentet samt fotometrien. Her kan nevnes Ragnhild Seip, Kristen Brendhagen, Hans V. Volden og Snefrid Gundersen samt Liv Fernholt og Pirkko Bakkensom sto for det meste av kalibreringer og beregninger.

 

Text Box:  Fotografisk plate; benzene
Text Box:  Fotografisk plate; benzene

Metoden 

Det teoretiske grunnlaget

I 1927 utførte og dokumenterte Davidsson og Germer det første elektrondiffraksjonsforsøket i USA. De viste at metoden egnet seg for strukturbestemmelser først og fremst i gassfasen. (Eksperimentet  beviste også  at partikler, her elektroner, har både partikkel- og bølgeegenskaper (De Broglies bølgerelasjon)[11]).  Elektrondiffraksjon bygger på en relativt enkel teori, men en komplisert teknikk. Metode virker fordi elektronenes bølgenatur når de treffer en gass-stråle av molekyler gir et spredningsmønsteret som blir en sum av sinusfunksjoner som systematisk forsterker eller utsletter hverandre avhengig av bindingsavstandene i de undersøkte molekylene.

 

Metodikken

Strukturundersøkelser av molekyler i gassfasen med elektrondiffraksjon er et eksperiment hvor elektroner skytes ut med høy hastighet inn i et vakuum-kammer. Gassen som skal undersøkes ledes inn i kammeret vinkelrett på elektronstrålen. Elektronstrålen spres i et mønster avhengig av molekylets struktur. Mønsteret avspeiler spredningsevne til atomene i molekylet, og av atomenes innbyrdes avstander, vinkler og relative indre bevegelser i form av vibrasjoner eller rotasjoner av hele molekylgrupper.

 

Skriv inn bildetekst her...Skriv inn bildetekst her...Skriv inn bildetekst her...Skriv inn bildetekst her...Skriv inn bildetekst her...Skriv inn bildetekst her...Skriv inn bildetekst her...
Radial fordelingskurve for benzene

Spredningsmønsteret fanges opp på en fotografisk/fotosensitiv plate i bunnen av vakuum-kammeret.  Mønsteret består av ringer med ulik svertningsgrad og ble i metodens tidlige fase avlest visuelt ved hjelp av linjal og millimeterpapir. Seinere ble ulike fotometriske/skanningsmetoder brukt til å overføre informasjonene fra de fotografiske platene til elektroniske data. En intensitetskurve fremkommer ved å trekke fra en bakgrunns-kurve. 

 

Hvert atompar gir opphav til en spredningskurve svarende til en sinuskurve hvor frekvensen er avhengig av avstanden (målt i nanometer (nm),1 nm = 0,000001 mm) mellom atomene i paret. Gjennom en integrasjonsteknikk (Fourier-transformasjon) vil summen av disse sinuskurvene kunne overføres til en radial fordelingskurve med en rekke topper, en topp rundt hver av avstandene mellom de ulike atomparene i molekylet. Arealet under ulike topper svarer til antall like avstander i molekylet og atomenes egenskaper i paret. Bredden av en topp viser hvordan avstanden mellom de to atomene varierer. For to atomer som er direkte bundet til hverandre, bestemmes dette av vibrasjonene i bindingen. Dess stivere binding dess smalere topp. For ikke direkte bundne atomer, vil bredden av henge av flere typer vibrasjoner og, i noen tilfeller, i stor grad av indre rotasjon av atomgrupper.

 

Intensitetskurven ble i en tidlig fase omregnet til en radial fordelingskurve via av manuelle enkle Fasit maskiner. Fra 1960-tallet ble dette arbeidet automatisert ved hjelp av stadig større datamaskiner.

 

Den eksperimentelle kurven kan sammenliknes med teoretisk beregnede fordelingskurver basert på antatte strukturer (avstander, vinkler og indre bevegelser). I den første fasen ble dette gjort gjennom prøving og feiling. Seinere ble teoretiske kurver tilpasset de eksperimentelle ved hjelp av minste kvadraters metode.

 

 

De norske instrumentene

Hassel lærte om GED-metoden i Tyskland og så raskt metodens anvendbarhet. Han kjøpte i 1934 et nybygd apparat produsert av De Laszlo i Oxford. Oxford-apparatet var laget av et for porøst materiale og vakuum teknikken den gang var ikke veldig avansert. Etter overflatebehandling med egnet voks fungerte apparatet i noen år.

Første Oslo-apparatet.

På slutten av 1930-årene tok Hassel initiativet til å bygge et nytt instrument. Flere internasjonale miljøer hadde foreslått at det skulle introduseres en roterende sektor over den fotografiske platen for å øke anvendbarheten, dvs for å øke tilgjengeligheten av informasjonen på de fotografiske platene.Innføring av en roterende sektor i det første norskbygde instrumentet revolusjonerte metoden. Sektoren fjernet en del av elektronene fra de innerste delene av spredningsmønsteret hvor intensiteten var størst. Intensiteten avtok derfor ikke så raskt med spredningsvinkelen. Dette ga større datamengder som gjorde det mulig å studere mer komplekse strukturer med større nøyaktighet. Fysikeren C. Finbak hadde gode ideer om hvordan et slikt avansert instrument med en roterende sektor kunne konstrueres. Sammen med Instrumentverkstedet ved Kjemisk institutt påtok han seg konstruksjonsoppgaven. Oppstarten av arbeidet ble litt forsinket da Oslo i april 1940 ble okkupert av Tyskland. Men etter en liten pause ble arbeidet gjenopptatt. Høsten 1940 ble den første publikasjonen basert på bruk av det nye instrumentet utgitt. Instrumentet [12] var operativt fra 1940 til 1955.

 

Oslo-apparatet («Oslo-gogni»).

På slutten av 1940-årene tok igjen Hassel initiativ til å bygge et nytt instrument, denne gang med finansiell støtte fra NAVF og Rockefeller Foundation. Igjen var det Finbak som var designer.  Instrumentverkstedet ved Kjemisk institutt og fysikeren A. Almenningen var sentrale samarbeidspartnere. Oslo-apparatet[13] (omtalt som «Oslo-gogni» av Almenningen) var i operasjon fra 1952 fram til 1991. Instrumentet var svært avansert og basert på videreutvikling av sektormetoden samt en rekke andre moderne tekniske nyvinninger.  Oslo-apparatet representerte høy kvalitet fra første stund og ble modell for utvikling av tilsvarende instrumenter i en rekke land. 

 

Balzers-apparatet.

I 1967 anskaffet Kjemisk Institutt et eksemplar av det eneste kommersielt produserte elektrondiffraksjons-apparat fra Balzers[14](Liechtenstein), produsert med Oslo-apparatet som modell. Dette gjorde opptakene enklere og utvidet rammen for hva slags molekyler som kunne studeres. Samtidig var det slik at Oslo-apparatet hadde egenskaper Balzers-apparatet ikke hadde, blant annet kunne data registreres over et større spredningsintervall. De to apparatene supplerte hverandre, begge ble jevnlig modernisert og var i aktiv bruk til rundt 2000. I disse dager forhandles det med internasjonale interessenter om å overta Balzers apparatet sammen med en elektronkanon og utstyr for fotometri/skanner.

 

Tekniske innovasjoner

Innføringen av en roterende sektor representerte en unik innovasjon som revolusjonertebetydningen avelektrondiffraksjon-metoden.Men innføringen av en roterende sektor var kontroversiell (noen mente det kunne forstyrre spredningsmønsteret)[15] og ble diskutert internasjonalt mellom ledende fagmiljøer som University of Oxford (L. Sutton), Caltech (L. Pauling), University of Michigan (L. Brockway) og Cornell University (S, Bauer). Første etter en konferanse ved Cornell University i 1947 ble metoden vitenskapelig akseptert. Det gikk imidlertid ytterligere 10 år til før sektormetoden var tatt i bruk ved alle de tyngre elektrondiffraksjons-laboratoriene internasjonalt.

 

Avanserte metoder for fotometri utviklet ved Oslo-gruppen sammen med sektormetoden erstattet den manuelle fortolkning av ringene på de fotografiske platene som ved enkelte laboratorier fortsatt var ibruk langt ut i 1950-årene.

 

Modernisering

I perioden 1963-2010 bidro GED-gruppens medlemmer til modernisering av metoden. Dette gjorde det mulig å beregne strukturen avstørre, mer kompliserte og fleksible molekyler samt blandinger av konformasjoner; noe få hadde trodd var mulig i begynnelsen av 50-årene. Oslo-gruppens helhetlige arbeidsform plasserte Gruppen blant de fremste internasjonalt. Gruppen ble modell for en rekke elektrondiffraksjons-grupper i hele verden.

Diffraksjonsapparatene og det tilknyttede utstyret ble modernisert, blant annet ved utvikling av bedre metoder for bestemmelse av elektronenes bølgelengde, konstruksjon av nye (reaksjons) dyser, valg av bedre og større fotografiske plater/bruk av image plater (elektronisk baserte målere som erstatning for de fotografiske platene), utvikling av densitometre (automatiserte målere av svertningen), utvikling av nye sektorer og forbedring av korreksjoner for den roterende sektoren og den ikke lineære svertningen av de fotografiske platene. I tillegg til Almenningen og ingeniørenes innsats på dette feltet, var det særlig Tor G. Strand som sto for dette arbeidet inntil han gikk av med pensjon.  Etter at Svein Samdal tiltrådde i 1992 overtok han hovedansvaret for området. Da de såkalte Image Plates kom på markedet rundt årtusenskiftet ledet Svein Sandal arbeidet med å utviklingen av den apparatur og programvare som var nødvendig for å ta disse platene i bruk som første GED-gruppe i verden utenfor produksjonslandet Japan. Resultatet var for det første at mindre flyktige forbindelser kunne studeres, og for det andre at feilgrensene ble betydelig redusert. 

Nedenfor følger noen sentrale eksempler på forbedringersom ble foretatt. Disse utbedringene er detaljert omtalt i de årlige rapportene fra GED-gruppen. Disse arbeidene viste at Elektrondiffraksjonsgruppen behersket hele spekteret ved GED-metoden; fra det eksperimentelle,til avansert teoriforståelse og etablering av modeller basert på ny, prinsipiell innsikt. Mange bidro, men særlig Hans Martin Seip gjorde en fremragende innsats både innen utvikling av pakken for databehandling og for utvidelsen av det teoretiske forståelsesgrunnlaget for metoden.

Oslo-gruppen startet alt på1960-tallet å modernisere beregningsprogrammene ved hjelp av datamaskiner (IT). Det ble utviklet en fullstendig pakke av dataprogrammer for tilpassing av molekylmodeller etter minstekvadratersmetode og bruk av moderne statistiske metoder. En samlet beskrivelse av hele pakken ble publisert i1969[16],[17]. Pakken av dataprogrammer ble benyttet av mange andre laboratorier, og publikasjonen oppnådde et usedvanlig høyt antall siteringer.  

I tillegg spesialiserte Sven Cyvin[18]ved NTH (i dag NTNU) seg på beregninger av vibrasjoner i molekyler fra spektroskopiske data. Dette ga ikke bare viktig input til elektrondiffraksjons-studier, men også et viktig sammenlikningsgrunnlag.   Dette sammen med utvikling av kvantemekaniske beregningsmetoder (ab initio) gjorde det mulig å beregne vibrasjoner mellom atomene og energikurvene for interne rotasjoner av grupper av atomer.

Et viktig teoretisk fremskritt var forståelsen av hvordan molekyl vibrasjonene påvirker avstandene mellom atomer som ikke er direkte bundet sammen i et molekyl (Bastiansen/MorinoShrikageeffekt[19]).

Det ble også arbeidet for å bedre forståelsen av spredningen fra molekyler som inneholdt både lette og svært tunge atomer: på fagspråket1. Born-approksimasjonen[20]var ikke tilstrekkelig.

De fleste molekyler undersøkt med elektrondiffraksjon i nyere tid er i tilleggundersøkt ved andre og supplerende metoder som IR-, Raman-og mikrobølgespektroskopi, NMR, røntgendiffraksjon og abinitioberegninger (teoretisk kvante-mekanikk).  De strukturelle parameterne (bindingsavstanderogvinkler) kan suppleres med beregninger av rotasjonsenergien om bindingsakser og hastighetskonstanter for omdanning fra en konformer til en annen. Dette gir økte muligheter til å studere kompliserte molekyler, men også til å sjekke konsistensen mellom undersøkelser med forskjellige metoder. For eksempel gir GED eksperimentelle data for verifisering av struktur parametere fra ab initio beregninger. 

 

[1]Se også artiklene om GED i Kjemi 2 (2018)

[1]Alle bilder i denne artikkelen er hentet fra UiO; Museum for universitets- og vitenskapshistorie- Universitetshistorisk fotobase

[1]M.Trætteberg:DedicationinmemoriamProfessorOttoChristianAstrupBastiansen(1918-1995).J.Mol.

Structure445(1998)ix-xi

[1]Grunnforskningen.Detmodernesamfunnsfundament.DetnorskeVidenskapsAkademiets Årbok(1981)

[1]Wikipedia: PugwashConferences on Science and World Affairs

[1]Se flere oppslag i Under Dusken (Studentersamfunnet I Trondheim) 1958

[1]NAVFs evaluering; Norwegian Structural Chemistry and Physics: Research Using Diffraction Techniques (1986)

 

 

 

Referanser til artikkelen om metoder og om apparatet


[1] Se Introduksjons-artikkelen Kjemi 2 (2018) 

[2] C. Finbak, O. Hassel: Z. phys. Chem, Abt. B 36 (1938) 326

[3] J. C. Gudmundsen, O. Hassel: Z. Phys Chem, Abt 40 (1938) 326

[4] O. Hassel, T. Taarland: Tidsskr. Kjemi, Bergv, Metall. 20 (1940) 167

[5] O. Bastiansen, K. Kveseth, H. Møllendal; Structure of Molecules with Large Amplitude Motion as Determined from Electron-Diffraction Studies in the Gas Phase. Topics in Current Chemistry, 81 (1979)

[6] O. Bastiansen; The Norwegian Gas Electron Diffraction Group. Journal of Molecular Structure 128 (1985)

[7] A.Haaland;MolecularStructureandBondinginthe3dMetallocenes.Acc.Chem.Res.,11(1979)415-422og     A. Haaland;CovalentversusDativeBondstoMainGroupMetals;aUsefulDistinction.Angew.Chem.Int.Ed.Engl.,

28(1989)992-1007.

[8] R.K.Bohn,A.Haaland.OntheMolecularStructureofFerrocene.  J.Organometal.Chem. 5(1966)470

[9] P.Andersen; Structure Investigations of Organic Free Radicals, Carbanions and Carbonium Ions. Selected Topics in Structure Chemistry (1967)125

[10] "Akademi og industri, Kjemiutdanning og -forskning ved NTNU gjennom 100 år". Fagbokforlaget (ISBN: 978-82-450-1828-8) 2015. særlig s. 378 -410.

[11] Davisson fikk i 1937 Nobelprisen i fysikk for denne oppdagelsen. (Davisson, C. J. , Germer L.H.; “Reflection of Electrons by a Crystal of Nickel”, Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 14(4) 317-322 (1928))

[12] Dette instrumentet er vist i utstillingen om elektrondiffraksjon i foajeen på Kjemisk institutt, UiO

[13] O. Bastiansen, O. Hassel, E. Risberg. Acta Chem Scand 9 (1955) 232  

[14] O. Bastiansen, R. Graber, L. Wegmann. Balzers High Vacuum Report 25 (1969)1

[15] E.Benum;Arbeidetforanerkjennelse:Hasselgruppenogdetinternasjonalevitenskapssamfunnetca1945-ca1955.idunn4 (2010)

[16] H. M.Seip, T. G. Strand, R. Stolevik. Chem. Phys. Lett. 3 (1969)   

[17]B. Andersen, H. M. Seip, T. G. Strand, R. Stolevik Acta Chem Scand 23 (1969) 3224

[18] R. Stolevik, H.M.Seip, S. Cyvin. New, Practical method of Computing mean Amplitudes of Vibration and

Perpendicular Amplitude correction coeficients; unpublished (1972)

[19] ForeksempelførerbøyevibrasjonenetilatavstandenmellomO…OiCO2,somregnessometlineærtmolekyl,

ermindreennsummenavde toC-Oavstandene.

[20] H.M.Seip;Studieson thefailureoftheFirstBornApproximationinElectronDiffraction(1967)

 

Referanser til artikkelen om Otto Bastiansen

[1]Alle bilder i denne artikkelen er hentet fra UiO; Museum for universitets- og vitenskapshistorie- Universitetshistorisk fotobase

[2]M.Trætteberg:DedicationinmemoriamProfessorOttoChristianAstrupBastiansen(1918-1995).J.Mol.

Structure445(1998)ix-xi

[3]Grunnforskningen.Detmodernesamfunnsfundament.DetnorskeVidenskapsAkademiets Årbok(1981)

[4]https://en.wikipedia.0rg/wiki/Pugwash Conferences on Science and World Affairs

[5]Se flere oppslag i Under Dusken (Studentersamfunnet I Trondheim) 1958

[6]NAVFs evaluering; Norwegian Structural Chemistry and Physics: Research Using Diffraction Techniques (1986)

 

Otto Christian Astrup Bastiansen

  • født 5. september 1918 i Balsfjord, Troms  
  • Bastiansen ble cand.real. ved UiO i 1943 
  • Dr.Philos. i 1949
  • Han var assistent, universitetsstipendiat og amanuensis i Hassels gruppe fra 1945 
  • I 1955 etterfulgte han Finbak som professor i teoretisk kjemi ved NTH (i dag NTNU)
  • Fra 1962 ble han professor ved UiO, først i teoretisk kjemi
  • I 1964 etterfulgte han Hassel som professor i fysikalsk kjemi 
  • Bastiansen var prorektor ved NTH 1960-62 
  • Styreformann i Norges Allmennvitenskapelige Forskningsråd (NAVF)1965-69
  • Prorektor ved UiO1970-72 
  • Rektor ved UiO1973-76
  • Framtredende medlem av Det Norske Videnskaps Akademi fra1955
  • Preses/visepreses ved DNVA i 1986 og 1988
  • Han mottok Fridtjof Nansens Belønning i 1962
  • Han mottok Guldberg og Waages Medalje i 1980
  • Han var innvalgt ved en rekke akademier og æresdoktor ved en rekke internasjonale universitet bl. annet i USA hvor han samarbeidet med den dobbelte Nobelpris-vinneren Linus Pauling
  • Han ble utnevnt til Kommandør av St. Olavs Orden i 1974

 

Les også om de vitenskapelige høydepunktene i bladet Kjemi.

 

Av Kari Kveseth
Publisert 3. sep. 2018 12:59 - Sist endret 11. des. 2020 10:44