En prosess som danner amoniakk ($NH_3$) i naturen. Å forstå nitrogenase er én av de foreslåtte anvendelsene av [[Kvantesimulering]], og er derfor et subfelt av [[Kvantekjemi]]. #### Kritisk for [[Grønn kunstgjødselproduksjon]]? Så vidt jeg forstår fra [Quantum Chemistry tutorial](https://youtu.be/Eo_iiDJmp4w?si=uNY9IZOZgOeJfKcP) på [[QIP'24]], så er det snakk om hvordan man henter nitrogen ut fra atmosfæren og binder det i kjemiske stoffer som kan brukes av oss (altså inkludert i kroppene våre), og det er to hovedmetoder, som i dag står for cirka halvparten hver ($NH_3 =$ ammonium, som er det vi ønsker oss): 1. Nitrogenase enzyme, som er en spesifikk, kjent kjemisk prosess som inkluderer noen store proteiner/molekyler og en eller annen delikat metode hvor protoner og elektroner legges til hver for seg i prosessen av reaksjonen. 1. Spesifikt: $N_2 + 8 H^+ + 8 e^- + 16 MgATP \rightarrow 2 NH_3 + H_2 + 16 MgADP + 16 P_i$. 2. Jeg forstår noen av disse symbolene i hvert fall … den viktige biten er vel $N_2 + 8 H^+ + 8 e^- + (…) \rightarrow 2 NH_3 + H_2 + (…)$. 3. Men ja, dog vi vet at prosessen skjer i naturen—det er bakterier og planter der ute som gjennomfører den (mamma nevnte trekløver?)—så vet vi ikke hvordan prosessen fungerer, og har ikke lyktes i å replisere den. 2. Haber-(Bosch-)prosessen, hvor «you take nitrogen molecules and you just smash then into hydrogen molecules». 1. Spesifikt: $N_2 + 3 H_2 \rightarrow 2 NH_3$. 2. Trenger jernkatalysator for å igangsettes; «this was the key invention». 3. Må skje ved high temperatures and pressures, så derfor en energiintensiv prosess med stort karbonavtrykk. 1. Spesifikt: 300–500°C, 60–180 bar. 4. «Responsible for several percent of carbon emissions.» Damn. 5. Interessant nok var ikke denne mekanismen forstått heller når den først ble oppdaget, dog den raskt ble tatt i bruk på industriell skala til tross («You don’t need to understand something in order to use it»). Forklaringen på mekanismen kom mot slutten av 1900-tallet, og biologen Ertl vant i 2007 Nobelprisen for denne forklaringen. Han fortsetter: > Now, nitrogenase is, within chemical science, a topic of *some* study. It’s not like a huge area, (and) it became surprising to me that this became such a popular topic in the quantum computing community. The way in which this is often described in quantum computing introductions is as follows: One often says, well the Haber process is very energy intensive, so therefore one should learn what nitrogenase is doing, because it’s working under *ambient conditions*. But this is not actually a very careful argument, and this is not an argument that a chemist would make, because *the fact that something is working under ambient conditions doesn’t mean it’s not energy intensive*. And in fact biological nitrogen fixation is *also* very energy intensive. The reason why nitrogen fixation is very energy intensive is that nitrogen is stuck together with very strong bonds, and you have to break that very strong bond, so you just need a lot of energy, and this is true whether you’re doing it biologically, or whether you’re doing it in industry. Spesifikt (ATP er den biologiske energikilden, her konvertert til kJ): - nitrogenase: $\geq 13 kJ$ per tonn ammonium - Dette er en nedre skranke, og det reelle tallet for hele prosessen er langt høyere, f.eks. fordi protonene til reaksjonen må komme fra et sted, og fordi reaksjonen må isoleres fra oksygen for å fungere. (More than simply «ambient conditions».) - Haber-prosessen: - 100 år siden: $~100 kJ$ per tonn ammonium - Moderne fabrikker: $~26 kJ$ per tonn ammonium > And so, if you account for all the other costs of maintaining the enzyme, it is not clear to me that there is an energetic benefit here. So, in the chemical sciences, we don’t usually make this argument, that we study nitrogenase—I’ve worked in nitrogenase for many, many years—we don’t make this argument that we study nitrogenase because we’re trying to replace the industrial process; we try to understand nitrogenase to learn about the fundamental chemistry of nitrogen reduction. #### Current status of theory and challenges - Many-body ground-state not yet certain - Omhandler spesifikt den såkalte «FeMo-co», et kritisk molekyl i det større proteinet, sentralt i prosessen; spesifikt så kan vi ikke beregne energiene til høy nok presisjon til å avgjøre hvilken spin-arrangement som leder til true ground state. - Men for et relatert molekyl er det nylig blitt mulig å beregne med stor nok presisjon til å avgjøre ground-state energy, så kan hende vi snart vil være i stand til å gjøre det samme for FeMo-co—altså *uten* kvantedatamaskiner. > We’re not yet there—I’m optimistic that we’ll *get* there—but it does require some improved treatment of the electronic structure. (…) Now, I should point out that in many discussions of this problem, and also in classical simulations, we also use a simplified model of the cluster, and people have been trying to resolve the ground state of this simplified model (e.g. using 150 noisy qubits)—in the end it may turn out that this model is not sufficient; this is something that we simply don’t know at this point. In some ways we’re *certain* that it’s not sufficient, but we think it might be *useful*, but perhaps it’s not even useful. - Basic energies (e.g. binding energies) - Requires much more detailed models with lots of degrees of freedom (e.g. thousands of orbitals). - Any method with better accuracy (or better estimate of error) than Density Functional Theory (DFT) would be progress. - Beyond basic energies (e.g. free energies) – extremely challenging (akkurat som i [[Quantum Drug Design]]). - «I don’t see any progress there for a very long time.»