Rudy Marcus is sinds de Tweede Wereldoorlog een pionier op het gebied van de beschrijving van chemische reacties. Een gesprek met een Nobelprijswinnaar die niet kan stoppen met onderzoeken.

Rudy Marcus is inmiddels 81 jaar oud en werkt, naar eigen zeggen, nog steeds elke dag. Hij is al decennialang verbonden als Arthur Amos Noyes hoogleraar aan het California Institute of Technology.

Zijn hele werkzame leven heeft Marcus zich beziggehouden met de theoretische beschrijving van chemische reacties. Dit leverde hem in 1992 de Nobelprijs op voor zijn bijdragen aan de theorie van elektronenoverdrachtreacties. Deze klasse van reacties heeft Marcus beschreven in oplossing, voor eiwitten, aan oppervlakken en voor unimoleculaire reacties.

Marcus probeert bij voorkeur een analytische theorie op te stellen om zo inzicht te krijgen in de gedetailleerde resultaten uit de computer.

Het laatste probleem dat hij gekraakt heeft, is de wonderlijke isotoopverdeling in de oudst bekende mineralen in het heelal. Het blijkt dat calcium- en aluminiumrijke insluitingen (CAI’s) in meteorieten inzicht geven in de chemische samenstelling van het vroegere heelal, omdat deze zijn gevormd tijdens het ontstaan van de zon, ruim 4,56 miljard jaar geleden. De verhouding van de ¹⁷O/¹⁶O-concentratie ten opzichte van ¹⁸O/¹⁶O geeft voor zeewater, regen, wolken en mineralen op aarde een waarde van 0,52. Dit is in 1947 al helemaal verklaard op basis van het verschil in massa van de verschillende isotopen. Hierdoor verschuiven de evenwichten van de uitwisselingsreacties. Voor CAI’s (en ozon in de stratosfeer) blijkt de verrijking met ¹⁷O gelijk aan die van ¹⁸O! Deze verrassende ontdekking deed Robert Clayton in 1973. Sindsdien hebben verschillende mensen dit proberen te verklaren. In een aantal recente publicaties pakt Marcus de zaken grondig aan en poneert hij een verklaring. Een gesprek met een van de beste theoretische chemici van de vorige eeuw.

Waarom sprak het probleem van de afwijkende isotoop­ verdeling in de CAI’s u zo bijzonder aan?

“Het was uniek! Alleen ozon en deze oudste mineralen hebben deze zuurstofisotoopverdeling. Het strookte bovendien niet met de resultaten van de RRKM-theorie die de bekende isotoopverdeling van zuurstof op aarde oplevert. [RRKM staat voor Rice, Ramsperger, Kassel en Marcus en is de standaardtheorie voor de beschrijving van unimoleculaire dissociatie en bimoleculaire recombinatiereacties, red.] Ik werk graag aan problemen die we niet begrijpen. Soms lukt het die op te lossen, soms blijven we net zo onwetend achter als we begonnen zijn.”

Is een soortgelijk effect ook mogelijk met koolstof?

“Ja, maar wil dit gebeuren dan heb je de mogelijkheid van symmetrische en asymmetrische moleculen nodig. Dit zorgt voor een verschillende energieverdeling tussen de rotationele/vibrationele toestanden. Met ozon heb je O-O-O en kan de zwaardere isotoop in het midden of aan de buitenkant zitten. Voor een C₃-fragment kan het dus wel opgaan. Maar deze zijn zeldzaam en voor zover ik weet zijn deze experimenten niet gedaan. Er is niks bijzonders dus aan zuurstof, behalve dat het vaak aan het einde van een molecuul zit.”

Onder welke omstandigheden denkt u dat de CAI’s gevormd zijn?

“Voor de CAI’s schat men dat deze bij temperaturen van 1500 tot 2000 °C zijn gevormd onder hele lage drukken. De CAI’s zijn opgesloten in meteorieten en zijn dus afgeschermd geweest voor invloeden van buitenaf en de invloed van water.”

Stel dat uw verklaring van de merkwaardige isotoopverrijking in de CAI’s klopt, wat kunt u dan nog meer verklaren?

“Dat is een interessante vraag. Mensen die het vroege heelal bestuderen proberen erachter te komen hoe de precieze condities toen waren. En of er sprake was van suikerspinachtige structuren of dat er juist bolvormige objecten rondzweefden. Als we nu zeker weten dat de CAI’s bij hele hoge temperaturen zijn gevormd dan geeft hun dat extra inzichten. Maar het zou een heel klein radertje zijn in een gigantische machine die onze kennis over het vroege heelal voorstelt.”

Wat is de volgende uitdaging die u wilt aangaan?

“Er zijn verschillende zaken. Ik schrijf nu een artikel, samen met een postdoc, over een onderwerp waar ik al een aantal jaren mee bezig ben: het gedrag van bepaalde nanodeeltjes. Het gaat om halfgeleidende nanodeeltjes, quantum dots, die fluoresceren als je er licht op schijnt. Maar plotseling worden die donker. Als je doorgaat deze met licht te beschijnen, springen ze weer terug in hun fluorescerende toestand. Als je kijkt naar de duur van de donkere en lichte periode dan volgt die een statistische machtswet. We hebben een idee hoe dat komt en daar een theoretisch model voor opgesteld.

Onderzoek dat zich nog in een heel vroeg stadium bevindt betreft het volgende: sommige elektronenoverdrachtreacties kunnen ontzettend snel verlopen, binnen minder dan honderd femtoseconden zelfs. De vraag is: hoe pak je zulke snelle reacties aan? De vervaltijd van zulke reacties is niet-exponentieel en ik worstel al een tijd om dat te begrijpen. Ik heb wat vage ideeën, die zullen waarschijnlijk fout zijn, maar je moet ergens beginnen.”

Maar u bent wel over de tachtig! Werkt u nog steeds elke dag?

“Ja, sure, en elke nacht ook, haha. Ik besteed een groot deel van de dag aan mijn werk. Ik werk niet continu, er zijn verschillende onderbrekingen, maar ik heb er nu eenmaal plezier in.”

U hoeft dus niet te wachten op inspiratie?

“Nee, dat is een intrigerend punt. Zo’n twintig jaar geleden vroeg ik me wel eens af: ’Jeetje, zal ik ooit nog wel een nieuw idee krijgen?’ Serieus. Dat was toen ik werkte aan iets wat interessant was maar toch ver verwijderd van experimenten. Zodra ik weer aan onderwerpen werkte die een experimentele motivatie hadden, verdween dat en heb ik nooit meer om ideeën verlegen gezeten. Wellicht is dit een afspiegeling van mijn onwetendheid. Maar te horen dat iets een puzzel is, prikkelt mij enorm.”

Hoe werkt dat? Ziet u de oplossing voor u of denkt u in vergelijkingen?

“Eerst zie ik een plaatje. Het plaatje is belangrijk, of dat nu is van elkaar snijdende potentiële energieoppervlakken of iets dat rond beweegt op een bepaalde manier. Als kind heb ik ontzettend veel gespeeld met meccano. Wat ik nu eigenlijk doe, is ook een constructie maken uit losse onderdelen. Misschien is dit herkenbaar voor wetenschappers?

Het is ook net als met skiën. Als je bovenaan een heuvel staat die steiler is dan je eigenlijk aankunt terwijl de laatste lift al naar beneden is. Dan rest nog maar een ding: go for it. Dat is het gevoel. Je speelt er een beetje mee, maar je moet kopje onder.”

Maar voor u is het een spel. Is er is niet veel frustratie?

“Er is veel spel maar natuurlijk is er een hoop frustratie. Het probleem van de CAI’s heb ik bijna laten schieten, omdat ik totaal vastzat. Maar niet onregelmatig is er een gelukzalig gevoel als je er doorheen bent.”

Wat vindt u van de toestand van de moderne theoretische chemie?

“Waar ik me zorgen om maak, is dat veel jonge theoretici zich alleen maar richten op computerberekeningen. En dus geen gebruik maken van fysisch inzicht en benaderende modellen die je met de hand kunt doorrekenen. Gevolg is dat ze een hele berg data genereren maar niet weten wat er feitelijk aan de hand is. Twee jaar geleden heb ik met een paar mensen een zomerschool georganiseerd om daar wat aan te doen.

De rillingen lopen me over de rug als ik soms hoor dat een jonge onderzoeker aan een project werkt, omdat er geld in een gebied te halen is. Ik heb nog nooit iets gedaan om die reden, maar misschien zijn dit andere tijden.”

Dank u wel. Is er nog iets wat u wilt toevoegen?

“Nou, eh, ik weet niet. Mijn vroegere vrouw is een ontzettende inspiratie voor mij geweest…”

***Kader***

Feitelijk

Rudolph A. Marcus

1923 geboren in Montreal, Canada

1952 Publiceert artikelen over de beschrijving van chemische reacties. Formulering wordt later bekend onder de naam RRKM

1992 Nobelprijs chemie voor ‘zijn bijdragen aan de theorie van elektronenoverdrachtsreacties in chemische systemen’

2001 Eerste publicaties over de merkwaardige zuurstofisotoopverdeling die optreedt bij de vorming van ozon