Fysikalisk och analytisk kemi
Sammanfattande bedömning
Sverige har en stark tradition inom fysikalisk kemi och forskningen i området hävdar sig väl
internationellt.
Forskning med analytiskt kemisk inriktning av hög internationell kvalitet bedrivs vid ett
flertal universitet/högskolor. Emellertid har analytisk kemi som akademiskt ämne fått en
försvagad ställning i Sverige och som en konsekvens har den grundläggande forskningen i
ämnet blivit något eftersatt.
Det finns anledning till oro vad gäller återväxten av akademiskt inriktade forskare för båda
disciplinerna och då främst för den analytiska kemin.
Det finns ett akut behov att lösa frågan om finansiering av forskningsutrustning i prisklassen
0,5–10 miljoner kronor.
För båda analytisk och fysikalisk kemi finns en rad mycket aktuella samhällsfrågor där det
finns ett stort behov av ämneskompetens för att analysera och lösa problemen.
Framväxten av nya storskaliga forskningsanläggningar nationellt och internationellt öppnar
nya möjligheter för främst fysikalisk kemisk forskning.
Ämnesbeskrivning
Fysikalisk och analytisk kemi har som gemensamt drag att det är en huvudlinje i forskningen
att tillämpa fysikalisk metodik för att studera molekylära kemiska fenomen och företeelser. I
forskningen inom den analytiska kemin sker problemval utifrån en tydlig målinriktning mot
en tillämpad frågeställning. Det gäller att finna nya, och att förbättra etablerade metoder, att
möta specifika analytiskt kemiska utmaningar. Dessa kan gälla kvalitativ analys, vilket
innebär att identifiera de molekylslag som finns i ett prov, kvantitativ analys, där det gäller att
så exakt som möjligt bestämma mängden av ett visst molekylslag i ett prov och den tredje
viktiga delen av den analytiska kemin är separation där det gäller att få fram ett eller flera
molekylslag i ren form ur en blandning. I kontrast till den analytiska kemin är de centrala
forskningsfrågorna inom den fysikaliska kemin i grunden bestämda av en inomvetenskapligt
motiverad strävan att förstå molekylära egenskaper och processer. Med en förståelse som bas
skapas sedan tillämpning av kunskaperna på konkreta problem inom naturvetenskap,
teknikvetenskap och teknik. Analytiska och fysikaliska kemister använder i stort samma typ
av mätmetoder, medan skillnaderna i vetenskapligt perspektiv leder till att man använder
dessa metoder på olika sätt.
Styrkor, svagheter och ämnesmässiga trender
Analytisk kemi – Den analytiska kemins stora styrka har varit och fortfar att vara dess
användbarhet. Den spelar en central roll i samhällsekonomiskt viktiga sammanhang som
teknisk processkontroll, bioteknisk separation, miljöövervakning, marksanering, medicinsk
diagnostik och läkemedels- och livsmedelsproduktion. Den får också ständigt ökande
betydelse som stöd för andra vetenskapliga verksamheter och då främst den molekylärt
inriktade biologin. Denna rikedom på tillämpningar medför att det finns ett stort behov av
analytiska kemister utbildade på masters- såväl som doktorsnivå.
VR-NT:s webbforum januari 2011 – Fysikalisk och analytisk kemi
Under senare år har vi sett både inom och utom Sverige, en svårighet för den analytiska kemin
att hävda sig forskningsmässigt inom akademin. Institutions- och
avdelningssammanslagningar har medfört att analytisk kemi inte längre finns som ett tydligt
identifierat forskningsämne vid flera universitet i Sverige. Denna trend kan avspeglas också i
en minskande finansiering för området inom Vetenskapsrådet. Det finns anledning till viss oro
för återväxten inom området.
Under det senaste decenniet har det skett stora framsteg inom kvalitativ och kvantitativ analys
av prover av biologiskt ursprung. Man kan idag i gynnsamma fall detektera enskilda
molekyler i mycket små volymer. En utvecklingslinje kommer att vara att utvidga klassen av
molekyler som kan detekteras på enmolekylnivå. En annan utmaning är att ta fram metodik
för kvalitativ analys av, företrädesvis, biologiska makromolekyler. Idag finns rutinmetoder för
sekvensbestämning av nukleinsyror med hundratalet enheter närvarande i mycket små
mängder. Ett pågående intensivt arbete gäller att förbättra metodiken så att den ger säkra
analyser av längre sekvenser. Det är idag tydligt att kemiska modifieringar av baser i
nukleinsyror och av aminosyror i proteiner har en viktig funktionell roll. En stor utmaning är
att göra en kvalitativ analys med avseende på kemisk modifikation av de ingående
monomerenheterna. I Sverige finns idag forskning av hög klass i detta område. Det är en
svårighet att få en riktig överblick över detta fält då mycket av forskningen sker inom formellt
andra discipliner som bioteknologi och molekylärbiologi. En stor andel av forskningen inom
analytisk kemi finansieras på basis av en praktisk tillämpning. I denna kategori utgör
storskalig separation ett viktigt fält. Här finns centrala tillämpningar inom bioteknologi,
gruvindustri och marksanering. Det finns goda motiv att stärka den akademiska forskningen i
Sverige inom detta område.
Fysikalisk kemi – En tydlig trend inom kemin är att allt större vikt läggs på studiet av
samverkan mellan molekyler via intermolekylär växelverka. Den fysikaliska kemin har en
central roll att spela i denna utveckling. I Sverige faller forskningen i ämnet inom tre
huvudområden. Ett antal grupper har fokus på spektroskopisk metodik, och då inte minst
femtosekundspektroskopi för studier av molekylär energiöverföring. Detta sker från ett
fundamental såväl som ett tillämpat perspektiv. Ett antal andra grupper har den
intermolekylära växelverkan som fokus för att förstå molekylär association i vätskefas och på
fasta ytor. Denna forskning, oftast under benämningen yt- och kolloidkemi, är mer
problemorienterad och använder ett spektrum av metoder som kärnresonansspektroskopi,
ljusspektroskopi, spridningsmetodik och termokemisk metodik. En tredje inriktning, också
brett företrädd och ofta med sin bas i de två föregående, är studier av biokemiska och
molekylärbiologiska fenomen och processer med hjälp av fysikalisk kemisk metodik. Denna
forskning flyter ofta samman med den mer problemorienterade biokemiska,
molekylärbiologiska och medicinska forskningen. Forskningen i Sverige står stark i alla tre
delområdena sett i ett internationellt perspektiv.
Som en omedelbar konsekvens av att somliga områden är starka finns det också ett antal
delområden inom den klassiska fysikaliska kemi som är svagare representerade i landet. Detta
gäller till exempel studiet av heterogen katalys, som i landet sker inom ramen för ytfysik och
kemiteknik och studiet av reaktionskinetik i gasfas. För ett antal spektroskopiska metoder som
IR-spektroskopi, Raman-spektroskopi, elektronspinnresonans och cirkulärdikroism gäller att
metoderna tillämpas men utan att vara centrala i forskningsverksamheten. Elektrokemisk
forskning är främst representerad med tillämpat perspektiv som för biosensorer inom
analytisk kemi, och för bränsleceller inom kemiteknik.
VR-NT:s webbforum januari 2011 – Fysikalisk och analytisk kemi
Det går att urskilja ett antal trender för utvecklingen av ämnet inom den kommande 5–10årsperioden. Studiet av enskilda molekyler kommer att öka och ge en fördjupad bild av
molekylära processer i såväl biologiska system som inom nanovetenskapen. Ett annat fält
under utveckling är studiet av molekylär samverkan i mångkomponentsystem. Här finns både
biologiska, tekniska och miljörelevanta tillämpningar. Användandet av stora
forskningsanläggningar kommer att öka i betydelse. Detta gäller frielektronlaser,
synkrotronljus och neutronkällor. Här finns ett antal forskargrupper i Sverige beredda att
utnyttja de nya möjligheterna som öppnar sig.
Hot och möjligheter
Ett hot mot forskningen inom fysikalisk kemi och särskilt mot den inom analytisk kemi är
rekrytering av akademiska forskare. Idag söker sig relativt få studenter i landet till
utbildningar inom kemiteknik och ännu färre söker kemiutbildningar inom naturvetenskap.
Samtidigt är speciellt behovet av välutbildade analytiska kemister stort. Detta har skapat och
kommer att fortsätta att skapa en obalans som på sikt hotar att underminera den akademiskt
inriktade forskningens kvalitet. En subtilare konsekvens gäller ämnesdefinieringen. Dagens
forskning sker alltmer i gränsområdet mellan olika discipliner och så bör det vara. En tydlig
trend är i detta sammanhang att ämnet analytisk kemi och i någon mån ämnet fysikalisk kemi
har svårigheter att hävda sig mot andra discipliner, där rekryteringen har varit starkare och
arbetsmarknaden i övrigt svagare. Denna oklarhet i gränsområdet mellan olika discipliner kan
från ett övergripande perspektiv synas inte ha någon större betydelse. Dock får man inte
glömma att en disciplin byggs upp från en central kunskapsgemenskap och att utvecklingen
av gränsområdet måste befruktas av en kommunikation med den centrala kunskapsbasen.
Försvagas en disciplin försvagas också poängen med en forskning i gränsen mot denna
disciplin. En annan aspekt på denna typ av problematik har blivit mycket aktuell under de
senaste åren. På grund av allt större andel av forskningsfinansieringen baseras på ett
identifierbart tillämpningsbehov har det skett en förändring av balansen mellan disciplinärt
central och disciplinärt perifer forskning. En negativ konsekvens av detta är att den för
disciplinen nödvändiga kunskapsbasen eroderas, vilket kommer att få negativa konsekvenser
långsiktigt. En annan svårighet som uppstått under det senaste decenniet gäller nyanskaffning
av apparatur. Mycket av forskningen inom analytisk och fysikalisk kemi är beroende av
avancerad, men lokalt baserad utrustning. Typiska anskaffningskostnader för denna kategori
av instrument, NMR-spektrometrar, masspektrometrar, lasersystem, konfokalmikroskop,
fluorescensmikroskop och mer därtill, är i området 0,5 till 10 miljoner kronor. Idag finns få
forskningsfinansiärer som seriöst beaktar ansökningar om stöd till denna kategori av
utrustning. Kommer man inte snart fram till en nationellt fungerande policy för att
tillfredsställa detta mycket legitima behov kommer det att ske en klar kvalitetssänkning av
forskningen inom ämnena. Man ser redan en tendens att forskare söker sig mot användning av
stora forskningsanläggningar där god utrustning är tillgänglig trots att vetenskapliga
överväganden talar för att mindre storskalig utrustning är mer adekvat för att lösa de aktuella
vetenskapliga problemen.
Inom molekylärbiologin inklusive medicinen går utvecklingen mot en alltmer detaljerad
molekylär beskrivning. Detta ger nya utmaningar för metodutveckling inom analytisk kemi
och en bas för fundamental förståelse med redskap hämtade från den fysikaliska kemin.
Denna trend har funnits en längre tid men den har stärkts alltmer under senare tid och både
analytisk- och fysikalisk-kemisk kunskap blir central för den vidare utvecklingen i fältet. För
många av de utmaningar som finns för vetenskapen i det moderna samhället kan den
analytiska och fysikaliska kemin komma att spela en stor roll. Kemiska analyser utgör en
VR-NT:s webbforum januari 2011 – Fysikalisk och analytisk kemi
viktig del av den miljöanalys och miljöövervakning som sker lokalt och globalt. Mycket stora
belopp satsas idag på marksanering vars kärnfråga gäller molekylär separation i stor skala.
Det finns ett stort allmänintresse i att förena högproduktivt jordbruk med kraven på långsiktigt
hållbar miljöpåverkan. Här kan en i fysikalisk kemi baserad molekylär kunskap ge basen för
en formulering av bekämpningsmedel och gödning som leder till maximal effekt och minimal
spridning till omgivande miljö. I centrum för problemet med mänskligt inducerad global
uppvärmning ligger frågan om små molekylers spektroskopiska egenskaper, som är ett
klassiskt fysikaliskt kemiskt problem. Kemisk energiomvandling, inte minst bränsleceller, och
lagring av fri energi är mycket aktuella tekniska frågor där en fysikalisk kemisk förståelse kan
spela en stor roll för att finna bra lösningar på problemen. Långsiktigt säkert förvar av utbränt
kärnbränsle kräver, bland mycket annat, en djup och tillförlitlig kunskap om de kemiska
processer som kan påverka förvaringen i djupa borrschakt. Fysikalisk och kemisk
karaktärisering och manipulering av nanopartiklar är en viktig aspekt på den
nanoteknologiska utvecklingen. Detta är problem, som från en annan utgångspunkt, länge
studerats inom yt- och kolloidkemin. Sammantaget finns det alltså stora möjligheter för både
den analytiska och den fysikaliska kemin att utveckla sin roll i det komplexa samspelet mellan
olika discipliner och mellan grundläggande forskning och dess tillämpning på lösningen av
för samhället centrala problem.
Forskningsinfrastruktur
Analytisk kemi är idag endast i ringa utsträckning beroende av större
forskningsanläggningar. Det är vidare för tidigt att säga i vad utsträckning en etablering av
ESS i Sverige kommer att stimulera till en analytisk kemisk forskning baserad på användande
av neutroner. Där finns en potential. Som framhållits ovan finns ett akut behov av lokalt
baserad tyngre utrustning.
Fysikalisk kemisk forskning försiggår idag i betydande utsträckning vid stora
forskningsanläggningar. Synkrotronljuskällor i Grenoble (ESRF), Zürich (PSI), Oxford
(Diamond), Trieste (ELLETRA) och Lund (MAX II) tjänar alla som bas för olika typer av
experiment inom fysikalisk kemi, både vad gäller ytspektroskopi och
lågvinkelspridning/diffraktion. Motsvarande gäller för en rad neutronkällor där försök görs
med både lågvinkelspridning och neutronreflektivitet i Grenoble (ILL), Oxford (ISIS) och
Washington DC (NIST). Flera forskargrupper förbereder försök vid elektronlasern i
Hamburg. Vidare tar forskare inom fysikalisk kemi en aktiv roll i planeringen av MAX IV
och ESS så att dessa kan ge optimala villkor för den planerade forskningen. Det är dock
viktigt att inse att lösningen av en majoritet av forskningsproblem inom fysikalisk kemi
kräver användandet av ett flertal metoder. Optimalt utnyttjande av storskaliga
forskningsanläggningar förutsätter tillgång till lokalt baserad utrustning lämpad för
kompletterande studier.
VR-NT:s webbforum januari 2011 – Fysikalisk och analytisk kemi
