Tag Archief: materiaalfysica

Grenzeloos traag glas

Bestaat er een fysische grens aan traagheid? Dat vroeg ik me af bij het schrijven van deze column over een schijnbaar alledaags materiaal met bijzondere fysische eigenschappen: glas!

Dit stukje is in licht gewijzigde vorm als column verschenen in Eos.
(Jaargang 32, nummer 11.)

Voor een fysicus is het glas altijd vol... lucht.Loom tikte ik tegen de autoruit: “Glas is eigenlijk een vloeistof.” Ik zat achterin de auto samen met studiegenoot Karin. Haar vader reed en hij kaatste terug: “Welnee, het vloeit toch niet?” Tegen zijn onwankelbare vertouwen in gezond verstand kon ik als dromerige fysicastudent niet op.

Toch was ik zeker van mijn stuk. Glas wordt op hoge temperatuur gemaakt en is dan vloeibaar genoeg om het in een bepaalde vorm te blazen. Dat zal niemand betwisten, maar hoe zit het op kamertemperatuur? Ons gezond verstand zegt dat glas geen vloeistof kan zijn, aangezien het gebruikt kan worden als barrière tegen regen (vensterglas) of als houder voor water (drinkglas). Voor de fysicus ligt het iets subtieler: op microscopische schaal is glas namelijk amorf. De atomen in glas zitten even ongeordend als in een vloeistof. Terwijl de meeste stoffen een duidelijke fase-overgang doormaken bij het afkoelen van vloeistof naar vaste stof, is dat bij glas niet zo.

Moleculaire structuur van glas.

Glas is een amorf materiaal. Schematische weergave van de moleculaire structuur ervan. (Bron afbeelding.)

Bij een mineraal als bergkristal vormen de zijvlakken regelmatige veelvlakken, die verraden dat de atomen binnenin een regelmatig roosterpatroon vormen. Alle zogenaamde kristallijne stoffen – zoals bergkristal, maar ook ijzer of diamant – kan men op kleine schaal als vaste stof herkennen. Stoffen die op macroscopische schaal vast lijken, maar die geen kristalrooster vertonen, noemen we ‘glazen’. Het silicaglas dat we voor ruiten en drinkglazen gebruiken is hiervan het bekendste voorbeeld.

Maar is glas dan wel écht een vaste stof, zoals de macroscopische eigenschappen ervan doen vermoeden, of moet de microscopische structuur de doorslag geven en is het een onderkoelde vloeistof? Uiteraard zien we vensterglas niet stromen en is de binding tussen de atomen in een glas veel sterker dan in een gewone vloeistof. Maar is glas misschien een vloeistof met een extreem hoge viscositeit en stroomt het dus onmeetbaar traag: nog trager dan het pek in het beroemde pekdruppelexperiment? Er is een fysische maximumsnelheid in dit heelal, maar staat er ook een grens op traagheid?

Glasraam in Middeleeuwse kathedraal.De glasramen in Middeleeuwse kerken zijn onderaan vaak dikker. Deze eeuwenoude, stille getuigen lijken dus te bevestigen dat glas inderdaad traag stroomt. Dit ‘bewijs’ blijkt bij nader inzien echter geen stand te houden. Om te beginnen is er geen systematische studie gedaan op de diktevariaties in oude glasramen. Verder was het maken van grote glazen platen technisch gezien een hele krachttoer. Men draaide het glas tot een platte cilinder die aan de buitenkant dikker was. Zo waren er al van bij de productie diktevariaties aanwezig in het glas. Daarbij lijkt het wel zo verstandig om de dikste kant, die ook zwaarder en sterker is, waar mogelijk onderaan te plaatsen. Bovendien tonen berekeningen aan dat als glas merkbaar zou vloeien, het dan niet bovenaan dunner zou worden, maar verkorten! Dat komt niet overeen met wat we zien in die oude kerken.

Als klap op de vuurpijl is er ook glas bewaard gebleven dat nog veel ouder is, bijvoorbeeld uit het oude Egypte. Als glas echt zou vloeien bij kamertemperatuur, dan zouden deze artefacten inmiddels tot een vormeloze poel herleid moeten zijn, maar dat is niet zo. Er is in 2012 zelfs onderzoek gedaan op een stukje amber (een soort organisch glas) van twintig miljoen jaar oud, waaruit bleek dat dit materiaal in al die tijd evenmin vervloeid is.

Begin 2015 publiceerden theoretici een studie naar wat er met glas gebeurt als het verder wordt afgekoeld: verliest het ooit alle gelijkenis met een vloeistof? Er onstaan dan inderdaad gebieden die zich in meetkundige vormen ordenen, zoals regelmatige twintigvlakken. Dergelijke configuraties waren meer dan zesitg jaar eerder trouwens al voorspeld – niet op basis van berekeningen op supercomputers, maar op basis van fysische intuïtie. Een soort gezond verstand voor gevorderden als het ware.

Deze observaties laten uiteraard nog steeds de theoretische mogelijkheid open dat glas bij kamertemperatuur vloeit, maar dan zo traag dat de vervorming pas meetbaar zou worden na meer dan tien miljoen jaar. (Er zijn nog veel hogere schattingen in omloop.) Maar op dit punt sluit ik me aan bij wat Karins vader al lang wist: glas is geen vloeistof, want het vloeit niet.

(meer…)

Interview – deel 1/3

Bij het Hoger Instituut voor Wijsbegeerte aan de KU Leuven is het gebruikelijk dat professoren in het jaar van hun aanstelling worden geïnterviewd. Dit interview wordt meestal afgenomen door een doctoraatsstudent uit de groep, in mijn geval door Pieter Thyssen. De tekst verschijnt in een intern tijdschrift (“Mededelingen”), maar ik laat jullie hier ook meelezen.

Omdat het een lange tekst is geworden, publiceer ik het interview in drie delen. Het eerste deel gaat over de herkomst van mijn interesse voor fysica en filosofie en over mijn onderzoek in de voorgaande jaren.

~

Dag Sylvia. Terwijl het grote merendeel van de studenten tegenwoordig rechten, industriële of handelswetenschappen gaat studeren, koos jij voor fysica. Wat trok je in deze richting aan?

Dag Pieter. Wel, mijn plan was eigenlijk om astrofysicus te worden en daarna sciencefiction te gaan schrijven. Dat bedacht ik rond mijn vijftiende – een naïef plan dus, maar op basis ervan koos ik op de middelbare school wel consequent voor de richting met het meeste uren wiskunde per week, terwijl ik voor taalvakken nochtans minder inspanning moest doen. Het hele plan was geïnspireerd door Isaac Asimov, mijn favoriete sciencefictionauteur in die tijd. Ik wist dat hij wetenschapper was, die naast fictie ook populariserende boeken schreef, onder meer over astrofysica. Het ironische is dat ik er pas veel later achterkwam dat Asimov zelf helemaal geen fysicus was, maar een chemicus. (Lacht)

Was je toen al geïnteresseerd in de filosofie?

O ja, zeker! Naast sciencefiction en populariserende boeken over wetenschap las ik ook filosofie. Concreet herinner ik me uit die periode “Les jeux sont faits” van Sartre (voor de Franse les) en de Kritiek van Kant (een vertaling waarvan ik delen las terwijl ik hevige tandpijn had en voortdurend rondjes rond de tafel stapte). Ik begreep niet alles, maar het fascinerende me. De grote vragen van de filosofie spraken me aan, maar ik had de indruk dat de wetenschap in een betere positie stond om minstens een deel van die vragen ook te beantwoorden. Waarschijnlijk geloofde ik zelfs dat in de fysica een theorie van alles – waar de Griekse natuurfilosofen al naar op zoek waren – nu binnen handbereik lag. (Zucht) Toch besefte ik ook dat er nog veel spannende vragen waren, in de kosmologie bijvoorbeeld. Dat is bij uitstek een terrein waar fysica en filosofie even relevant zijn.

(meer…)

Nanokunst

Danny stuurde me een linkje naar een pagina met deze afbeelding:

STM poster.

STM poster

De poster is gemaakt door Jessie Flatt: deze studente aan de Universiteit van North Dakota studeerde aanvankelijk ingenieurswetenschappen, maar stapte over naar de richting grafisch ontwerp. Bij professor Lucy Ganje kregen zij en de haar medestudenten de opdracht om een poster te maken over wetenschap en daarbij gebruik te maken van meetresultaten van de scanning-tunnelingmicroscoop (STM) van de groep van professor Nuri Oncel.

De groep van Oncel werkt ook mee aan een soortgelijk project met middelbare scholieren: NanoART. Dat lijkt me een fijne activiteit en het sluit goed aan bij mijn ideeën over begrijpend tekenen. :-)

Het citaat op de poster van Jessie Flatt is van Will Durant:

Every science begins as philosophy and ends as art.”

(“Alle wetenschap begint als filosofie en eindigt als kunst.”)

Dit citaat is al vaker gebruikt voor posters: zie bijvoorbeeld dit plaatje van Lisa DeJohn op Etsy.

Aanvulling (4 december 2014):

Nog een citaat over wetenschap en kunst, ditmaal van Phil Plait (van Bad Astronomy):

Citaat over wetenschap en kunst.

Citaat over wetenschap en kunst. (Bron afbeelding.)

Poging tot vertaling:

“Zoals gewoonlijk moet ik wrang lachen als ik hoor dat mensen proberen om kunst van wetenschap te onderscheiden. Het universum is beide, mensen. Je kan proberen om ze uit elkaar te trekken, maar dat gaat niet, omdat het kunstige van het universum voor altijd verweven is met hoe het werkt. Ze zijn elkaars brandstof. De wetenschap is de reden waarom de kunst mooi is en de kunst is één van de redenen waarom we de wetenschap nastreven.”

In pyjama naar het labo

De afkorting van 'Non-Archimedean Probability' is NAP. Na al dat nadenken over infinitesimale kansen hebben we toch wel een dutje verdiend?Naar aanleiding van De Nacht van De Onderzoekers (vandaag, op vrijdag 27 september) gaat Radio 1 op zoek naar “de meest onvermoeibare onderzoeker” (van Vlaanderen).*

Alle onderzoekers die ik ken zijn gepassioneerde mensen en dus harde werkers (al wordt onze pure liefde voor de wetenschap helaas soms wat overschaduwd door de stijgende publicatiedruk en de bijbehorende stress). De meest onvermoeibare onderzoeker ben ik ongetwijfeld niet. Mijn laatste onderzoeksproject heet immers niet toevallig ‘NAP‘: de letters staan voor Niet-Archimedische Probabiliteit, maar het is ook Engels voor dutje. ;-)

Toch heb ik heel wat nachtposten gedraaid tijdens mijn tijd als doctoraatsstudent in de materiaalfysica. Als je één week meettijd hebt aan een synchrotron, dan moet je daar het meeste uithalen en al eens een nachtje doorwerken. Verder ging ik geregeld ’s nachts naar het laboratorium om te controleren of alles nog in orde was met de staaltjes.

Ik werkte aan het Instituut voor Materiaalonderzoek van de Universiteit Hasselt. Dat ligt op het Wetenschapspark, dat ’s nachts werd afgesloten met een schuifpoort. Omdat ik de eerste jaren geen auto had, had ik zogenaamd geen pasje nodig om de poort te openen. Dus moest ik ’s nachts eerst nog over de beek springen!

Dit is een staaltje van diamant op silicium.We waren een protocol aan het ontwikkelen om DNA aan diamant te koppelen (lees ook hier). Diamant gaat in gewone omstandigheden bijna geen chemische bindingen aan. Dit lukt wel als je het diamant bijvoorbeeld met sterk UV belicht, maar het DNA verdraagt dit UV dan weer niet… Een uitweg voor dit dilemma is om eerst een linkermolecule (dat wel de UV-belichting verdraagt) aan het diamant te koppelen en pas in de volgende stap het DNA aan die linkerlaag te koppelen (waarbij geen UV meer nodig is).

Ik legde de stukjes diamant dus ’s avonds onder de UV-lamp om gedurende een hele nacht te reageren met verschillende linkermolecules, maar onder die lamp werd het vrij warm en sommige molecules konden daarbij verdampen. ’s Nachts keerde ik dan naar het labo terug om (indien nodig) wat extra vloeistof op de staaltjes te pipetteren. Daar stond ik dan, vermoedelijk ongekamd en met wat kleren in der haast aangetrokken over mijn pyjama. En daarover een labojas: glamoureus.

Na een tijdje probeerden we een dun kwartsplaatje (transparant voor UV) op de natte diamantstaaltjes te legden. Sindsdien verdampten de linkermolecules niet meer en kon ik op mijn twee oren slapen. (Al moest ik wel nog even die doctoraatsthesis schrijven, uiteraard.)

Toch was het bijzonder om ’s nachts door het instituut te lopen. Door het aan- en afslaan van de pompen aan de glovebox (een werkbank gevuld met stikstof waar je via rubberhandschoenen in kunt werken) leek het wel of het instituut ademde. De meetinstrumenten die tikten en bromden. Ook de pompen aan de diamantreactoren waren steeds aan het werk. De meeste mensen sliepen, maar ons labo niet!

UV-Lampje.

U ziet wellicht het blauwe bakje tussen wat rommel? Daar stond ik zo anno 2006 ’s nachts voor op… (Deze foto is weliswaar genomen in 2007, want er liggen al kwartsplaatjes op de stalen.) Een kleine rondleiding (want zoiets krijg je nooit te zien op een officiële opendeurdag). Het blauwe blakje is de behuizing voor een UV-lamp, met een lade waar ik diamantstaaltjes in kon leggen. De draaiknop van het overbodige timermechanisme is met twee schroeven geblokkeerd en dit is vervolgens afgedekt met een schaaltje om niemand op het idee te brengen eraan te prutsen. U ziet: de genialiteit en professionaliteit spat ervanaf in de academische wereld. ;-) Dit alles stond in een met stikstof gevulde glovebox. Linksonder zie je een sluis, die ik – met mijn linkerhand in een zwarte rubberhandschoen – aan het opendraaien ben. Rechts zie je de transparante behuizing van een opstelling om zonnecellen te meten.

Wat betreft “de meest onvermoeibare onderzoeker” (van deze wereld en ver daarbuiten) stel ik voor om Curiosity te nomineren (en de onderzoekers die de doorgestuurde gegevens analyseren), het onvermoeibare Mars-wagentje dat – zo is nu in een Science-publicatie bevestigd – water gevonden heeft op de rode planeet. (Lees er hier een Nederlandstalig bericht over.) Hoera!

*Ik bezocht de website van Radio1 eigenlijk omdat ik wou bloggen over het onderwerp van nep-publicaties, dat donderdagavond aan bod was gekomen, maar toen kwam ik dus dit onderwerp tegen.

Kan gas naar plasma overgaan?

Plasma is een stralende, nieuwe aggregatietoestand.Drie weken geleden kreeg ik een vraag van een journaliste, die een stuk aan het voorbereiden was over “stralen” in de breedste zin van het woord. Iemand had haar verteld dat plasma een fysische toestand is waarin materie straalt. Zo was ze op mijn blogstukje over aggregatietoestanden terechtgekomen en vervolgens had ze me hier enkele vragen over gemaild.

Eén van de dingen die ze zich afvroeg was: “Kan gas naar plasma overgaan?” Aangezien de journaliste geen uitgebreid stuk over fysica gaat schrijven, plaats ik hieronder mijn volledige antwoord.

De drie klassieke aggregatietoestanden met de faseovergangen ertussen.Ja, gas kan zeker in plasma overgaan. Dat is precies het idee van faseovergangen: dezelfde stof kan in verschillende toestanden voorkomen en daarbij heel verschillende eigenschappen hebben.

Een gas kun je vloeibaar maken door het te laten afkoelen: denk maar aan de waterdamp in een warme badkamer die druppeltjes vormt zodra het de koude spiegel raakt. Daarbij gaat er water over van de gasvormige toestand (damp) naar de vloeibare toestand (druppels).

Als je een gas echter verder opwarmt, kan het een plasma worden. Opwarmen is een manier om energie toe te voegen aan een stof. Er zijn ook andere manieren om energie toe te voegen aan een gas, bijvoorbeeld door er een elektrische spanning over aan te leggen. Dit gebeurt elke keer als je een TL- of spaarlamp aanzet: door een elektrische stroom te laten lopen door het gas dat in de buis zit, gaat dit gas over in plasma en daarbij gaat het licht uitzenden. Sommige mensen hebben een plasmatelevisie in huis en zoals de naam al aangeeft is ook het licht van zo’n TV afkomstig van plasma.

Een diamantstaaltje in de reactorkamer met een paarsgloeiende plasma.In het laboratorium waar ik vroeger werkte, gebruikten we weer een andere manier om gas in plasma om te zetten: microgolven (zie ook dit stukje). Een mengsel van waterstofgas en methaan (aardgas dus) wordt met behulp van microgolven omgezet in plasma. Het koolstof uit het methaan kan vervolgens als dunne lagen diamant afgezet worden. Tijdens het proces kun je in de reactorkamer kijken en daar zie je het plasma paarsachtig oplichten. Als je andere gassen toevoegt, verandert de kleur van het plasma; chloorgas bijvoorbeeld geeft het plasma een roze gloed.

In een gas zitten neutrale atomen: positief-geladen kernen met daarbij precies genoeg negatief-geladen elektronen, zodat het atoom als geheel lading nul heeft. Door energie in het gas te pompen (door opwarming, aanleggen van elektrische spanning, of microgolven), worden er negatief-geladen elektronen losgeslagen van de positief-geladen kernen. Een kern die één of meerdere elektronen kwijt is, noemt men een ion. Als de elektronen en ionen vrij van elkaar voorkomen, noemt men die toestand een plasma.

Tijdens het relaxeren (terugvallen naar de kern) zendt het elektron een foton uit.Als een elektron terug aan een ion bindt, noemt men dit relaxeren, omdat het elektron daarbij van een vrije toestand met veel energie terugvalt naar een gebonden toestand met minder energie. Tijdens het relaxeren zendt het elektronen een pakketje energie uit in de vorm van een foton: licht. Daarom moet je moet voortdurend energie blijven pompen in een plasma, anders relaxeren alle elektronen onmiddellijk weer, waarbij ze allemaal slechts één keer licht uitzenden en daarna dooft het plasma uit. Nadat je een spaarlamp hebt aanzet, moet je de schakelaar dus aan laten staan zolang je licht wil hebben. Intussen zijn de elektronen in de spaarlamp voortdurend aan het fitnessen: zodra ze wat energie krijgen maken ze zich vrij van hun kern, maar kort daarna vallen ze weer terug bij een andere kern waarbij ze een pakketje energie uitsturen in de vorm van licht. Dan begint het weer voorafaan.

Het is een soort chaotische stoelendans: telkens als het elektron even bij een kern kan gaan zitten uitrusten, zegt het elektron “hoera” in de vorm van een foton. De straling van een plasma is dus een soort vreugdevuur dat wordt afgeschoten door relaxerende elektronen.

Het Noorderlicht.Onze zon is één grote plasmabol, net als alle andere sterren. Dit plasma wordt op gang gehouden door de kernreacties die plaatsvinden in de kern. Al het licht die wij op aarde van de zon ontvangen is dus het bewijs dat plasma inderdaad kan stralen. Het plasma van de zon zendt niet alleen zichtbaar licht uit, maar ook infrarode straling, die wij ervaren als stralingswarmte. Verder produceert de zon ultraviolet licht en zelfs röntgenstralen*, maar de aardse atmosfeer fungeert als een filter waardoor we die straling niet allemaal op onze bol krijgen. Bliksem is eigenlijk ook een plasma, net als het Noorderlicht, dat ik ooit met eigen ogen hoop te kunnen zien. Het Noorderlicht wordt veroorzaakt door deeltjes die met zo’n hoge snelheid de aardse atmosfeer bereiken dat er daarbij een stralend plasma ontstaat.

*: Ja, ook op vlak van dit detail was de kortfilm “The adjustable cosmos” accuraat!

En nu maar hopen dat de journaliste het niet té kort door de bocht maakt, zoals: “Fysicus zegt dat plasma roze blijdschapsgloed is van opgeluchte elektronen.” Allemaal duimen en positieve stralen sturen, hè. :-)

YBCO

YBCO is een acroniem voor yttrium-barium-koperoxide. Het is een keramisch materiaal, dat supergeleidend is met een kritische temperatuur van 92 K. Omdat deze temperatuur hoger ligt dan die van vloeibaar stikstof (kooktemperatuur 77 K), is het materiaal interessant voor praktische toepassingen.

Om onduidelijke redenen was ik gisteren “YBCO” aan het zingen op de melodie van Y.M.C.A. van Village People. Mijn vriend daagde me uit om daar een filmpje van te maken. Gisteren had ik alleen een refrein, maar de rest van de tekst laat zich zeer gemakkelijk aanpassen. Zo gemakkelijk zelfs dat het me verbaast dat er nog geen YBCO-versie van dit liedje op YouTube te vinden was (of toch niet voor zo ver ik heb kunnen vinden). Toen zat er dus niks anders op dan mijn alternatieve tekst inderdaad zelf in te zingen. Ik kan niet goed zingen, maar het gaat om het idee, hè… Et voila: een filmpje, met ondertitels en alles! :-)

Als er iemand een nieuwe versie van kan maken – in labojas en met wat meer disco-moves erbij -, stuur me dan zeker een link!

Dit blog heeft dringend een nieuwe categorie nodig: Doing silly things… for science!

De volledige tekst vind je na de vouw. (meer…)

Diamonds are forever – of toch niet?

Tiffany, de Bond-girl uit Diamonds Are Forever.Zestig jaar geleden schreef Ian Fleming zijn eerste roman over geheimagent James Bond (“Casino Royale“) en vijftig jaar geleden kwam de eerste Bond-film in de zalen (“Dr. No“). De marketing rond alles wat met 007 te maken heeft draait deze dagen dan ook op volle toeren: het titelnummer van de nieuwste film, “Skyfall“, gezongen door Adele is overal te horen en er zijn speciale DVD-boxen te koop met alle Bond-films van de voorbije halve eeuw.

Zoek je net als ik een evenwicht tussen weerstaan aan de merchandising en niet geheel wereldvreemd zijn? Dan kun je deze periode aangrijpen om je favoriete Bond-film nog eens te herbekijken. Ik moet eerlijk bekennen dat ik geen groot 007-kenner ben, maar ik heb wel een liefhebber in huis, die maar wat blij was toen ik zelf voorstelde om “Diamonds are forever” te bekijken. Het is een passende keuze bij dit gouden jubileum – zeker als je weet dat “Golden Jubilee” ook de naam is van de grootste geslepen diamant ter wereld.

Bij het bekijken van de film was ik blij verrast dat het tempo zo hoog lag: dat had ik niet verwacht van een film uit 1971! Verder was ik vooral benieuwd naar de feitelijke juistheid van wat er in de prent over diamant werd verteld. Hier volgt een overzicht van mijn bevindingen. Daarbij verandert Bond-girl Tiffany, net als in de film, geregeld van haarkleur. :-)

Tiffany, de Bond-girl uit Diamonds Are Forever.(1) Diamantsmokkel: “goede research”

Diamonds are forever” gaat over diamanten die gesmokkeld worden vanuit de diamantmijnen in Zuid-Afrika. Ian Fleming raakte geïntrigeerd door dit onderwerp en interviewde John Collard, die in opdracht van diamantkartel De Beers onderzoek deed naar illegale diamanttrafiek. De schrijver gebruikte deze interviews niet enkel als achtergrondinformatie voor zijn Bond-roman “Diamonds are forever” uit 1956, maar verwerkte ze een jaar later ook in zijn non-fictie boek “The diamond smugglers. Laten we er dus van uitgaan dat het sociaal-economische aspect van de diamantsmokkel, althans in de romanversie, behoorlijk waarheidsgetrouw is.

Tiffany, de Bond-girl uit Diamonds Are Forever.(2) Diamant recupereren na crematie: “onmogelijk”

Op een zeker moment in de film worden de diamanten met een vliegtuig meegesmokkeld in het lichaam van een overledene. Om de edelstenen te recuperen wordt het lichaam gecremeerd. Achteraf zien we een urne vol diamanten. Maar dit kan helemaal niet, want het diamant zou mee verbrand moeten zijn! Diamant brandt namelijk in lucht bij een temperatuur tussen 600 en 800°C, terwijl een crematieoven werkt bij 870 à 980°C. Het was precies door middel van verbranding dat voor het eerst werd aangetoond dat diamant een vorm van puur koolstof is: Antoine Lavoisier toonde in 1772 aan dat als diamant in een atmosfeer van puur zuurstof verbrandt (met andere woorden: als het reageert met zuurstof), er niets anders van overblijft dan CO2.

Laat je dus niets wijsmaken: diamant is niet voor altijd. Als je zelf wil zien hoe snel diamant verbrandt, maar niet meteen een edelsteen op overschot hebt liggen, bekijk dan onderstaand filmpje van PopSci (bron).

Overigens is er wel een bedrijf, ‘LifeGem‘, dat aanbiedt om de assen van een dierbare overledene te verwerken in een synthetische diamant. Hierbij wordt na de crematie het koolstof (in de vorm van grafiet) uit de assen gezuiverd en in een pers onder zo’n hoge druk gezet dat er diamant ontstaat. Wie weet spreken we na mummificatie en crematie, straks ook van diamantificatie.

Tiffany, de Bond-girl uit Diamonds Are Forever.(3) Zirkonia: “een uitweg”

Even later in de film blijken er toch geen echte diamanten in de urne te zitten. Dit geeft ons een uitweg om deze fout tegen de materiaalfysica alsnog weg te redeneren: James Bond kan de diamanten al vóór de crematie uit het lichaam gehaald hebben en vervangen door zirkonia (of kubisch zirkoniumdioxide). Dit materiaal wordt vaak gebruikt als imitatiediamant omdat het bijna even fel schittert. Het is weliswaar minder hard en dus minder krasbestendig dan diamant, maar het is een oxide dat niet verder met zuurstof kan reageren: zirkonia brandt dus niet. (Als je het tot 2750°C verhit gaat het materiaal weliswaar smelten, maar daarvoor wordt een crematieoven niet heet genoeg.)

Hoewel het dus niet opgaat dat diamant voor altijd is, blijft het titelnummer bij “Diamonds are forever“, gezongen door Shirley Bassey (video-clip), wel een prachtig liedje natuurlijk. Daarbij haalt “Cubic zirconia is forever” het gewoon niet qua hitpotentieel. ;-)

Tiffany, de Bond-girl uit Diamonds Are Forever.(4) Toepassing van diamant in satellieten en lasers: “mogelijk, maar dan anders”

In het boek worden de diamanten enkel gesmokkeld, maar in de film gebeurt dit bovendien met een specifiek doel: de diamanten worden gebruikt in een satelliet om er een krachtige laser van te maken, die vanuit een baan om de aarde doelen op het oppervlak kan vernietigen.

Sinds het uitkomen van de film is er inderdaad diamant meegestuurd met satellieten: het gaat dan om synthetisch diamant dat gebruikt wordt in sensoren. Zo bevat ESA-satelliet Proba-2, die in 2009 gelanceerd werd, verschillende sensoren om de zon te bestuderen. Eén daarvan is de Lyman Alpha Radiometer (LYRA), die gebruikt maakt van diamant om het UV-spectrum van de zon te meten (grafiek van eclips 2010).

De laatste jaren is het gebruik van diamant ook nuttig gebleken voor lasertoepassingen. Wanneer diamant voorzien wordt van een kleine hoeveelheid onzuiverheidsatomen (‘dopering’), kan het materiaal gebruikt worden in een vastestoflaser. Diamant kan ook worden ingezet in Ramanlasers (bron). Verder kunnen spiegels van diamant kunnen gebruikt worden om röntgenstraling te reflecteren: ze worden daarom gebruikt in röntgenlasers (bron). Voor zo ver ik weet, hebben nog geen van deze mogelijkheden het al tot in commercieel verkrijgbare diamant-gebaseerde lasers gebracht. Diamant speelt wel al de iets bescheidener rol van uitgangsvenster in CO2-lasers en als koelplaat in hoog-vermogen lasers. Bovendien vereisen al de vermelde toepassingen synthetisch diamant, waarvan de eigenschappen (zoals dopering) en de afmetingen nauwkeurig bepaald kunnen worden.

Kortom, het is – zelfs met de technologische kennis van 2012 – onduidelijk hoe je van een zak edelstenen een lasersatellietwapen kunt maken.

Vredesprijs voor explosief nanodiamant

Verdient diamant een vredesprijs?De winnaars van de Nobelprijzen 2012 worden pas in oktober bekendgemaakt. In afwachting daarvan werden vorige week wel al de “Ig Nobelprijzen” uitgereikt: de jaarlijkse bekroning voor onwaarschijnlijk wetenschappelijk onderzoek dat eerst doet lachen en dan doet nadenken. Hier vind je de lijst met alle laureaten voor 2012. Mijn aandacht werd getrokken door de Ig Nobelprijs voor de Vrede, die dit jaar een sterk materiaalkundige inslag heeft. Dit vormt meteen een goede aanleiding om de draad op te pikken van een oude blogcategorie: “Materiaal op maandag”. (Vorig jaar verschenen: deel 1 en deel 2.) Als je dit pas op dinsdag leest, kun je die categorie gerust “Diamant op dinsdag” noemen.

De Ig Nobelprijs voor de Vrede gaat dit jaar naar het Russische bedrijfje SKN, dat nanodiamant produceert. Nanodiamant is een vorm van synthetisch diamant dat bestaat uit afzonderlijke korreltjes die elk minder dan een micrometer doorsnede hebben – vaak zelfs maar enkele tientallen nanometer. Het bijzondere aan het nanodiamant van SKN is het productieproces: detonatie. Ontploffing dus. Militaire explosieven gebruiken om er diamant van te maken is niet alleen een sterk staaltje van onwaarschijnlijk onderzoek, maar ook een zeer pacifistisch project: goede argumenten om er een Ig Nobelprijs voor de Vrede aan toe te kennen.

Natuurlijk diamant ontstaat in alle stilte in de aardmantel. Ook in het labo verloopt de diamantsynthese doorgaans zeer vredig, in een chemische-dampdepositiekamer. Detonatie-nanodiamant (DND) echter wordt gevormd in de schokgolf van een gecontroleerde ontploffing van een mengsel van TNT en RDX – een combinatie van explosieven die ook in militaire toepassingen wordt gebruikt.

Deze manier om (nano-)diamant te maken werd al in de jaren zestig van vorige eeuw ontwikkeld in de voormalige Sovjet-Unie. Zelf hoorde ik voor het eerst over het alternatieve productieproces toen een Russische onderzoeker er een lezing over kwam geven op het Instituut voor Materiaalonderzoek in Diepenbeek. Zelf werkte ik aan biosensoren op basis van dunne plaatjes diamant. Diamantpoeders waren dus niet meteen toepasbaar voor mijn eigen onderzoek, maar toch is het onderwerp van de lezing – en de voorpret die we hadden bij de aankonding ervan – me bijgebleven. Geen slechte winnaar dus voor een Ig Nobelprijs. :)

Hieronder zie je de uitreikingsceremonie die plaatsvond aan de Universiteit van Harvard. Het filmpje start bij de aankondiging van de Ig Nobelprijs voor het nanodiamant en de korte ontvangstspeech van de directeur van SKN, Igor Petrov.

Nanodiamantjes zijn veel te klein om als edelsteen te dienen in zelfs de meest bescheiden ring. Toch zijn er heel wat toepassingen voor dergelijke diamantpoeders. De poeders kunnen worden toegevoegd aan motorolies, smeermiddelen of plastics en worden ook gebruikt bij polijsten. Verder hebben nanodiamantjes van specifieke afmetingen luminescente eigenschappen: de korrels kunnen gebruikt worden om specifieke biomoleculen mee te labelen en dit kan dan weer worden ingezet in medische toepassingen, zoals bij het onderzoek naar kanker. TNT inzetten om uiteindelijk een middel tegen kanker te vinden: als je het zo bekijkt, verdient dat zeker een vredesprijs.

Natuurlijk is geen enkele menselijke uitvinding of ontdekking louter goed of slecht. Deze ijzeren wet geldt ook voor nanodiamant. Zelf vermelden de wetenschappers het gebruik van nanodiamant als additief in galvanisatie (bron; vertaling), waardoor het oppervlak van materialen voorzien wordt van betere mechanische eigenschappen, zoals hogere hardheid, lagere poreusiteit en minder corrosie. Het ironische aan de situatie is dat dit dan weer kan worden toegepast om de loop van vuurwapens slijtvaster te maken. Voor alle duidelijkheid: ik wil niet beweren dat SKN daar zelf bij betrokken zou zijn, maar deze toepassing staat wel vermeld op de website van Ray Techniques (een Israëlische producent van nanodiamant).

Toch vreemd hoe zo’n onzichtbaar klein diamantkorreltje een rol kan gaan spelen in grote thema’s als oorlog en vrede.

Alle modellen zijn fout

Lipson's Lego-kunstwerk 'Relativity'.In maart 2011 had ik nog geen blog. Anders had ik hier zeker verslag gedaan van het congres “All models are wrong dat toen aan de Rijksuniversiteit Groningen plaatsvond. Het was een organisatie van twee statistici (Ernst Wit en Edwin van den Heuvel) en één wetenschapsfilosoof (Jan-Willem Romeijn). De dia’s van de meeste presentaties staan online, dus je kunt het hele evenement thuis nabeleven als je dat zou willen.

De aanleiding om meer dan een jaar na datum alsnog over dit congres te bloggen is een recente publicatie: deze zomer verscheen er namelijk een speciaal themanummer van het wetenschappelijke tijdschrift Statistica Neerlandica met daarin artikels die op het congres gepresenteerd werden. In dit nummer staat er ook een artikel van mij samen met Danny (helaas niet gratis te raadplegen). Onze lezing en het bijbehorende artikel hebben de titel: “Models and simulations in material science: two cases without error bars“. (De pdf met de dia’s vind je hier en is wel gratis te raadplegen.)

Themanummer van 'All models are wrong'.

Het themanummer van Statistica Neerlandica met de proceedings van ‘All models are wrong’ viel deze zomer in de bus.

We hadden al langer plannen om een artikel te schrijven met onze twee namen erboven: romantiek voor onderzoekers. :-) We haalden de inspiratie voor onze gezamenlijke bijdrage uit de tijd dat we een koppel werden en we elk aan ons eerste doctoraatsstudie werkten. Ik knutselde toen in het laboratorium aan biosensoren op diamant, terwijl Danny computationeel onderzoek deed naar nanodraden. Dit zijn weliswaar erg verschillende onderwerpen, maar toch vonden we een gemeenschappelijke deler die interessant genoeg was voor een nabespreking: we werkten beiden in de materiaalfysica en stelden ons daarbij allebei vragen over hoe betrouwbaar onze resultaten nu eigenlijk waren. Meestal wordt deze betrouwbaarheid uitgedrukt met behulp van foutenvlaggen. Echter, zowel voor mijn ellipsometriestudie van DNA op diamant als voor de door Danny berekende structuur van nanodraden bleek het onmogelijk om de foutenanalyse kwantitatief door te voeren met finaal één fouteninterval als resultaat.

In de wetenschapsfilosofie ging de grootste aandacht lange tijd uit naar theorieën. Recent is men echter meer belangstelling beginnen krijgen voor modellen en simulaties. We beginnen ons artikel dan ook met een bespreking van de filosofische literatuur hierover en maken een onderscheid tussen modellen in de materiaalfysica enerzijds en die in de statistiek anderzijds. Vervolgens analyseren we het gebruik van modellen en idealisaties in de context van ons eigen voorgaande onderzoek. We bespreken welke bijkomende informatie er nodig zou zijn om in deze twee gevallen wel tot een fouteninterval te komen. Anderzijds herinneren we de lezer er ook aan dat gerapporteerde foutenintervallen bijna nooit alle mogelijke bronnen van fouten omvatten. Foutenintervallen worden meestal berekend op basis van de statistische variatie binnen een model; het is doorgaans echter ondoorgrondelijk om precies te kwantificeren hoeveel het model zelf van de werkelijkheid afwijkt.

De titel van het congres verwijst naar volgend citaat van statisticus George E. P. Box:

“Alle modellen zijn fout, maar sommige modellen zijn nuttig.”

Dit is in feite ook de conclusie van ons artikel. Alle modellen zijn fout – ja -, maar modellen doelen er ook helemaal niet op om ‘juist’ te zijn. Een belangrijke (maar niet de enige) functie van modellen is om ons een middel geven waarover we kunnen redeneren, want de wereld zelf is vaak niet te begrijpen. Het komt er daarbij op aan om een model te vinden dat niet te fout is, zodat het toch iets gemeen heeft met het onderdeel van de werkelijkheid dat we willen bestuderen. Zoals gezegd informeren foutenvlaggen ons niet over hoe goed het gebruikte model op de werkelijkheid lijkt, maar veeleer over wat de variatie is als we dit model even voor waar aannemen – een cruciaal verschil.

Als je deze onderwerpen interessant vindt, moet je eigenlijk de inleiding bij het themanummer eens lezen. Helaas is ook dit geen open access, maar je kunt het altijd eens proberen aanklikken vanuit de dichtstbijzijnde universiteitsbibliotheek…

Tot slot nog een leuk weetje: voor de affiche van het congres werd als afbeelding het Lego-kunstwerk “Relativity” van Andrew Lipson gebruikt, een hommage aan Escher (ook het plaatje bovenaan deze post).

Vast, vloeibaar, of gasvormig? Wat een toestand!

De drie klassieke aggregatietoestanden met de faseovergangen ertussen.We moeten het eens hebben over aggregatietoestanden. Dat is voor niemand fijn, ik weet het. Zelfs op Facebook vindt niemand dit leuk! Het woord op zich klinkt al vreselijk. En toch is er nu eenmaal een dag dat aggregatietoestanden in ons leven komen. Ze zijn er dan altijd al geweest, maar plots ga je ze als dusdanig herkennen en dan wordt alles anders. Voor veel mensen komt deze dag in het eerste jaar fysica op de middelbare school. Vast, vloeibaar, gasvormig: dat is alles en toch ben je er niet in één les vanaf. Een stof kan namelijk van de ene aggregatietoestand overgaan in een andere (en weer terug): zo zijn er zes faseovergangen. Naarmate de temperatuur stijgt gaan de deeltjes (atomen of moleculen) in stoffen meer bewegen en minder sterk aan elkaar binden. Hierdoor kan een vaste stof vloeibaar worden (smelten) en een vloeistof gasvormig worden (verdampen); bovendien kan een vaste stof rechtstreeks overgaan naar de gasfase (sublimeren). Bij dalende temperatuur komen de omgekeerde processen voor, respectievelijk: stollen, condenseren en rijpen.

Er zijn wel enkele hindernissen bij het leerproces. Zo is water één van de stoffen waarmee we het meeste ervaring hebben, maar water heeft meteen een uitzonderlijke eigenschap bij overgang tussen vloeibaar en vast: terwijl de meeste stoffen in volume afnemen als ze stollen, zet water uit als het bevriest.

De Nederlandse taal werkt ook niet mee. De bijvoeglijke naamwoorden zijn ‘vast’, ‘vloeibaar’ en ‘gasvormig’, terwijl de corresponderende zelfstandige naamwoorden ‘vaste stof’, ‘vloeistof’ en ‘gas’ zijn. Dus respectievelijk één, twee en drie lettergrepen voor de adjectieven en het omgekeerde bij de substantieven. Is dat erg? Op zich niet, maar leerlingen gebruiken de boel steevast door elkaar en ze zijn niet de enigen: kijk ook maar op het plaatje hierboven, dat ik heb overgenomen van schoolTV.

De driedeling die we op school leren is overzichtelijk, maar zoals vaker met dit soort dingen kom je in de praktijk grijze zones tegen. De driedeling kan een goede eerste benadering zijn, maar de natuur houdt zich niet strikt aan de stippellijntjes die wij rond de aggregatietoestanden hebben aangebracht. Zelfs de natuur zelf vindt er dus niets aan. ;-) Neem nu glas: op het eerste zicht is dit duidelijk een vaste stof, maar op moleculair niveau bestaat het uit een onregelmatige, amorfe structuur, net zoals een vloeistof. Soms hoor je wel eens dat glas beter beschouwd kan worden als een zeer stroperige (visceuze) vloeistof, of dat het een bijkomende aggregatietoestand is. Het zou zelfs zijn aangetoond dat het glas in de ramen van zeer oude kerken onderaan dikker is, doordat het glas, onder invloed van de zwaartekracht, in de loop der eeuwen iets uitgezakt zou zijn. Helaas blijken ongelooflijke verhalen bij nader onderzoek vaak gewoon onwaar. Het is maar vrij recent dat we nagenoeg perfect vlakke glasplaten kunnen maken. Eeuwen geleden was het meeste glas dikker aan de randen. Als er een verschil was tussen de boven- en de onderkant, werd de dikste kant onderaan gezet voor de stevigheid.

We hebben al een paar dagen zonnig weer in ons land, maar zomerse hitte waarbij het asfalt smelt is er gelukkig nog niet bij in maart. Wie zou echter op het idee komen om de viscositeit van asfalt te gaan meten bij normale kamertemperatuur? Daar moet je al erg veel geduld voor hebben! Er wordt inderdaad zo’n experiment gedaan, zij het dan met pek – een andere zwarte en ook zeer stroperige stof. Tim tipte mij over het pitch drop experiment (pekdruppelexperiment) aan de Universiteit van Queensland in Australië. Waarschijnlijk was dit als uitdaging bedoeld: lukt het om een niet al te saai stukje te schrijven over een experiment dat al sinds 1930 loopt en waarbij er sindsdien amper acht druppels gevallen zijn? De laatste druppel liet los in 2000 en die daarvoor twaalf jaar eerder, dus je zou misschien verwachten dat in 2012 de negende druppel zal vallen. De druppels laten echter steeds langer op zich laten wachten (zoals je gemakkelijk kun zien in deze tabel), dus ik zou mijn slaap er nog niet voor laten om dit evenenment via de webcam live mee te maken. ;-) Hopelijk slagen ze er bij deze nieuwe druppel trouwens in om het cruciale moment op film te bewaren: dat zou dan voor het eerst zijn. Dan zien we het daarna vast bij het nieuws passeren. Hun IgNobelprijs in de fysica hebben de bedenkers van het experiment in elk geval al binnengehaald.

Plasma is een stralende, nieuwe aggregatietoestand.Nog leuker wordt het als je de klassieke fysica achter de kiezen hebt en ontdekt dat er veel meer aggregatietoestanden zijn! Sommige daarvan kunnen enkel bij zeer hoge of juist zeer lage energieën voorkomen (zie bijvoorbeeld de Engelstalige Wikipedia). Deze lijken misschien minder geschikt voor de middelbare school, omdat we geen directe ervaring hebben met de bijbehorende extreem hoge of lage temperaturen, maar ze spreken des te meer tot de verbeelding. De bekendste ‘nieuwe’ aggregatietoestand is plasma, een hoog-energetische toestand waarbij de kernen en de elektronen van atomen apart voorkomen (door ionisatie). Hierbij straalt de materie een futuristische gloed uit. De bekendste toepassing vind je dan ook in beeldschermen, maar je kunt plasma ook gebruiken om er diamantjes in te groeien :-) en ook onze zon is een feite een gloeiende bol plasma. Aan de koele kant van het aggregatiespectrum komen we onder andere de Bose-Einsteincondensaten (BEC) tegen. In deze exotische toestand zijn de (aanvankelijk) individuele deeltjes niet meer van elkaar te onderscheiden en vormen ze één superatoom.

Waar het plasma dus één groot Caraïbisch feest van materie is, is het Bose-Einsteincondensaat volkomen Zen.