Inom kemin spelar teoribildning stor roll. Enligt Dalton och Berzelius visade den experimentellt upptäckta lagen om de stökiometriska proportionerna på en atomär teori för materiens uppbyggnad. Kunskapen om energiförhållanden och drivkrafter för kemiska reaktioner och fasomvandlingar är formaliserad i termodynamiken. Dessa teorier blev allmännt accepterade under adertonhundratalet. När sedan Boltzmann i början på förra seklet visade att termodynamiken kan härledas från atomär teori med hjälp av statistiska metoder, togs ett avgörande steg inom kemin, vars fulla betydelse skulle stå klar först långt senare.
Atomernas förmåga att ingå i kemiska bindningar uppvisar de regelbundenheter som ligger till grund för det periodiska systemet. Förståelse av den kemiska bindningens natur fick invänta framsteg inom fysiken, som t ex upptäckten av elektronen och atomkärnan. Plancks och Einsteins kvantiseringslagar, Bohrs atommodell och de Broglies materievågor ledde 1925 till kvantmekaniken. Denna teori, särskilt som den uttrycks med hjälp av Schrödingers ekvation:
kan sägas vara grunden för all kemi. Schrödingerekvationen är emellertid ofta så komplicerad att dess lösning för vanliga kemiska system blivit genomförbar först genom datorernas intåg. Genom att lösa en tidsoberoende Schrödingerekvation kan man beräkna kemiska bindningsenergier. Det kanske mest fascinerande med kvantmekaniken från kemisk synpunkt är att den samtidigt kan beskriva kemisk bindning, spektra, termodynamiska egenskaper och tidsberoendet i kemiska processer.
Datorn kan alltså beräkna styrkan i en kemisk bindning men frågan är om vi själva förstår och kan förklara på ett enkelt sätt vad kemisk bindning innebär. Häri ligger ett pedagogiskt problem som "fack-pedagogerna" dessvärre sällan är medvetna om. Det ställs därför stora krav på att vi själva utvecklar kurser, som på den korta tid som står studenterna till förfogande ger en solid grund att stå på i deras fortsatta verksamhet. Vi eftersträvar att använda datorer så mycket som möjligt. Man kan t ex rita atomerna i molekylen på skärmen och beräkna vilka kemiska strukturer och bindningar som kan tänkas bildas eller vilka processer som kan tänkas äga rum. Denna form av undervisning, som kombineras med undervisning av traditionell typ, verkar vara både populär och givande.
Men modern teoretisk kemi består inte bara i studiet av kemiska bindningar. Andra delar har tillämpningar inom fotofysik, materialkemi och biofysik. Under de senaste decennierna har man börjat förstå mekanismerna för både naturlig och artificiell fotosyntes. Här är det den teoretiska kemins uppgift att förklara sambandet mellan strukturen, som blivit känd geom kristallografiska metoder, och de egenskaper som får fotosyntesen att fungera. Vi känner idag ganska väl till fotosyntesens mekanismer, åtminstone hos vissa arter. På samma sätt vet vi hur växter och djur använder den upplagrade kemiska energin i metabolismen. På atomär nivå sker detta genom att elektroner får hoppa mellan sparsamt förekommande metalljoner eller s k p-system genom proteinet. Förbränningsprocesserna kan då äga rum utan att den biologiska strukturen behöver förstöras eller förändras. Vi har utarbetat teoretiska modeller för elektronhopp som numera används över hela världen.
Även inom materialvetenskap är teoretiska modeller av stort värde. Upptäckten av ledande organiska polymerer har belönats med årets Nobelpris i kemi. I denna typ av ledare går elektrontrans-porten till på ett något annat sätt än i metaller. I de senare kan man tänka sig elektronerna som delokaliserade vågor. I en organisk ledare sker alltid en viss lokalisering av elektronerna beroende på att atomkärnorna sitter på ett oordnat sätt. Elektronernas vågfunktion, som är ett mellanting mellan våg ("delokalisering") och partikel ("lokalisering"), är direkt beroende av hur kärnornas rörelse är sammankopplad med elektronernas. Vi har nyligen utvecklat en modell som avslöjar om ett mycket stort system är lokaliserat eller delokaliserat. Detta har avgörande betydelse för den elektriska ledningsförmågan. Om kärnstrukturen inte påverkas så mycket när en elektron passerar får vi ledningsförmåga med lite motstånd. Om strukturen påverkas mycket "fastnar" elektronen i den struktur som har den lägsta energin och materialet blir en isolator. En helt oväntad tillämpning av teorin, som för tillfället diskuteras mycket i litteraturen, är frågan om huruvida DNA-strängarna, som bildar vår arvsmassa, är elektriskt ledande. Detta har betydelse för hur snabbt ett uppkommet fel kan repareras av sig själv. Återigen finner vi i god överensstämmelse med experimentella data att elektronerna ibland uppträder som lokaliserade och ibland som delokaliserade. De experiment som används kan ge olika svar, men svaret är i överenstämmelse med vår teori.
Vissa material, i form av kristaller, har på senare år visat sig vara supraledande vid låg temperatur. Den kemiska mångfalden är imponerande. T ex har kristalliserat svavel och syre visat sig vara supraledande vid höga tryck. Mera känt är det att vissa kopparoxider är supraledande och dessutom ett stort antal organiska ämnen. Det har inte visat sig möjligt att förklara denna kemiska mångfald med hjälp av fysikens traditionella teorier, och det finns t o m fysiker som börjar tro att något väsentligt saknas i kvantmekaniken. Detta tror vi dock inte alls är fallet. I vår modell har vi istället tagit kopplingen mellan kärnornas och elektronernas rörelse på allvar. Det visar sig att många teoretiska kemister redan upptäckt och beskrivit fenomen som ligger snubblande nära supraledningsfenomenet med hjälp av teoretiska modeller. När vi vidareutvecklar dessa modeller kan vi visa att elektronerna bildar strömmar i ett magnetfält i grundtillståndet hos den typ av ämnen som är kända som supraledande.
Det har väl redan framgått av det ovanstående att teoretisk forskning och undervisning kompletterar varandra på ett fruktbart sätt. Jag ställs dagligen inför problemet att förklara hur de fenomen vi ser omkring oss kan förklaras på ett rimligt och lättfattligt sätt. Det kan gälla kolleger som gör experiment, doktorander eller de vanliga studenterna inom den grundläggande undervisningen. En fjärde grupp är kollegerna inom fysik, biofysik eller materialvetenskap. Att utveckla teorier som kan accepteras av alla dessa grupper är en spännande utmaning.
Vi har ombetts att skriva ner vad vi gör på fritiden när vi inte forskar. Jag förstår egentligen inte vad som menas med denna uppmaning, eftersom jag använder den fritid som återstår efter undervisningen åt forskning. Någon annan fritid finns knappast. Men ibland går jag ut och går några km i skogen. Fyra dagar i somras tillbringade jag med att gå den 84:e Nijmegen-marschen (16 mil på fyra dagar). Efter en sådan semester vet man hur bra man har det på jobbet.
(Texten publicerades 2000 i skriften Ny kunskap)