Scheikundejongens » Maar waaróm nou?

Een profielwerkstuk over reologie

Mark — Mon, 27 Feb 2012 08:00:24 +0000

Vorige week kwamen er twee scholieren langs bij ons op het lab. Ze wilden voor hun profielwerkstuk de reologische eigenschappen van mayonaise, ketchup en maïzena onderzoeken. Reologie is het vakgebied dat zich bezighoudt met hoe vloeistoffen stromen. Over de bijzondere reologische eigenschappen van maïzena hebben we al eens wat geschreven. Maïzena wordt meer stroperig wanneer het sneller stroomt. Zo kun je dus snel over een bak met maïzena lopen, maar zak je er in weg wanneer je te lang op één plek blijft staan. In de reologie wordt dat shear thickening genoemd. Bij pek en silly putty gebeurt hetzelfde, terwijl bij ketchup en mayonaise het tegenovergestelde gebeurt. Ketchup en mayonaise gaan juist steeds gemakkelijker bewegen wanneer ze sneller stromen. Dat heet shear thinning.

Het begrip “stroperigheid” wordt in de reologie viscositeit genoemd. De viscositeit van een vloeistof is niets meer dan de verhouding tussen de kracht die nodig is om een vloeistof te laten stromen, en de snelheid waarmee het stroomt. De viscositeit van een vloeistof heeft niet per sé één vaste waarde, maar kan dus afhangen van de snelheid waarmee de vloeistof stroomt.

Terug naar de scholieren. Zij wilden de reologische eigenschappen van een aantal stoffen bestuderen. Samen met een collega en de scholieren hebben we daarom een aantal van die stoffen met een reometer geanalyseerd. Dat is een apparaat dat een bepaalde kracht uitoefent op een stof, en dan meet hoe snel het beweegt (of omgekeerd). We hebben die metingen gedaan met mayonaise en ketchup. Maïzena hebben we ook geprobeerd, maar omdat dit snel uitzakt waren er geen betrouwbare metingen mogelijk. De resultaten zie je hieronder.

Bij een toenemende stroomsnelheid, neemt de benodigde kracht naar verhouding steeds minder toe. Mayonaise en ketchup zijn allebei dus inderdaad shear thinning, en we kunnen ook concluderen dat ketchup in algemeen een stuk gemakkelijker stroomt dan mayonaise. Omdat we de stroomsnelheid en kracht over een heel groot gebied hebben gemeten, is het echter nuttiger om deze resultaten op een dubbele log-schaal weer te geven, zoals hieronder, zodat je beter kunt zien wat er gebeurt. Uit de shear stress en shear rate kun je ook de viscositeit berekenen. Dat is wat er in onderstaande grafiek uitgezet staat. Zoals je kunt zien, neemt de viscositeit over het gemeten gebied met een factor honderdduizend af, zowel voor mayonaise als voor ketchup. Dit gedrag wordt veroorzaakt door de microscopische structuur van de producten. Daarmee bedoelen we niet uit welke atomen en moleculen het bestaat, maar juist hoe die moleculen zich op een schaal van micrometers ordenen. Mayonaise is bijvoorbeeld niet een homogene oplossing van water en olie (want water en olie lossen niet in elkaar op), maar bestaat juist uit kleine oliedruppeltjes die verspreid liggen in het water. Dat kun je op onderstaande microscopie-afbeelding goed zien. De bolletjes zijn enkele micrometers groot, bestaan uit olie, en zijn omgeven door water.

Zoals je hieronder kunt zien, ziet ketchup er juist weer heel anders uit onder een microscoop. Ook ketchup is geen homogeen mengsel, maar bestaat uit grote korrels van enkele tientallen micrometers (zetmeel), enkele stukjes celwand en vezels, samen met wat kleinere donkere spikkeltjes (onoplosbaar materiaal) en rode stukjes (lycopeen, de kleurstof afkomstig uit tomaat) in een waterige omgeving. Ketchup is een stuk minder geconcentreerd dan mayonaise en daarom waarschijnlijk minder viskeus. Ook is duidelijk dat we hier te maken hebben met goedkope ketchup: in kwalitatief goede ketchup zit namelijk vooral tomatenpuree en geen vulstoffen.

Tot slot hebben we nog de maïzena. Hoewel we daaraan geen reologische metingen hebben (kunnen) verrichten, konden we het wel onder een microscoop bekijken. Daarop is te zien dat het bestaat uit zetmeelkorrels van zo’n 10–20 µm.

De vraag is nu natuurlijk: hoe veroorzaakt een bepaalde microscopische structuur een specifieke reologie? Op die vraag is geen algemeen geldend antwoord te geven, want dat is afhankelijk van een groot aantal factoren: de vorm en afmetingen van de deeltjes, de concentratie ervan, de interacties tussen die deeltjes, en zo voort. De oliedruppeltjes uit de mayonaise zijn bijvoorbeeld in hoge concentratie aanwezig, maar de zetmeelkorrels in maïzena ook. Toch vertoont maïzena shear thickening en mayonaise shear thinning. Dat kan een aantal oorzaken hebben: het zou bijvoorbeeld zo kunnen zijn dat de oliedruppeltjes gemakkelijk vervormen. Als de vloeistof gaat stromen, zouden ze een beetje kunnen ‘uitrekken’ zodat het water er gemakkelijker langs kan stromen. Maïzena bestaat uit harde korrels, dus daarbij kan dat niet.

Reologie is van groot praktisch belang om ervoor te zorgen dat allerlei producten op de juiste manier (al dan niet) stromen, en door de microscopische structuur van producten te veranderen, kunnen de reologische eigenschappen naar wens worden aangepast. Reologie is zeer geschikt als onderwerp voor je profielwerkstuk. Als jij zelf van plan bent om je profielwerkstuk hierover te houden, zoek dan vooral contact met een universiteit. Niet alleen kun je dan mooie experimenten doen, maar je ziet ook nog eens hoe het eraan toegaat op een échte onderzoeksgroep.

Wil je meer ideeën voor je profielwerkstuk? We hebben er een hele pagina over.

Met dank aan Dzina Kleshchanok voor de metingen en Hans Tromp voor info over ketchup.

Omdat de eenheden ertoe doen

Aldo — Mon, 16 Jan 2012 08:00:07 +0000

Wees gewaarschuwd: dit is de grootste muggezifterij die je zal tegenkomen op de Scheikundejongens. Maar het zijn de details die leiden tot perfectie. Ik kan me nog herinneren dat op de middelbare school men geregeld op z’n kop kreeg van de docent natuurkunde. Bijna iedereen vergat aan het einde van de som een eenheid achter de uitkomst te zetten. “No big deal” zou je zeggen, maar nu denk ik er anders over. Een overzichtje van mijn ergernissen.

De regels van het SI-stelsel

In 1960 werd het Internationals Stelsel van Eenheden ingevoerd. Daarmee wordt elke natuurkundige en scheikundige grootheid uitgedrukt in een eenheid. Er zijn een paar basiseenheden, met bijbehorende afkortingen: afstand in meter (m), massa (niet gewicht) in kilogram (kg), tijd in seconde (s), hoeveelheid in mol en zo nog een paar. Daarnaast zijn er ook nog een paar prefixen, ofwel, vermenigvuldigingsfactoren. De belangrijkste zijn kilo- en milli- (k- voor 1000 en m- voor 1/1000 respectievelijk), mega- en micro- (M- voor 10⁶ en µ- voor 10^-6 respectievelijk) en giga- en nano- (G- voor 10⁹ en n- voor 10^-9 respectievelijk). Een compleet overzicht vind je op de Wikipedia-pagina over het SI-stelsel. Alle andere eenheden zijn gebaseerd op deze basis-eenheden.

Dan nog de gróótste muggezifterij: tussen de grootheid en de eenheid hoort een spatie. Dat staat op pagina 133 van de brochure van het SI. Als je fan bent van LaTeX zou je daar nog een halve spatie van kunnen maken (met het numprint package) uit esthetische overwegingen. Let op dat het percentage-symbool (%) in het Engels wél met tussen-spatie wordt gebruikt, maar in het Nederlands niet. Einde discussie.

Volume: mL en ml

Het symbool voor een liter is een grote letter L. Een duizendste van een liter is dus een mL en een ml bestaat niet. Staat er onverhoeds ML op je melk zou ik hem niet kopen. Ik vermoed dat je een nabestelling van je ~~duizend~~ miljoen liter melk zal krijgen en ik denk niet dat je dat op zal maken aan pannenkoekenbeslag.

Het etiket op mijn wasmiddel. De totale hoeveelheid (1,5 L) is foutief zonder spatie, maar correct mét hoofdletter L. Helaas staan de andere hoeveelheden aangegeven met ml. Dat moet natuurlijk in mL zijn.

Massa: kg en KG

Wat ik altijd een beetje vreemd heb gevonden is dat de SI-eenheid voor massa een kilogram is, en niet een gram. Wat nog vreemder is, is de aanduiding op mijn pindasaus.

Ik weet niet wat een Kelvin-Gauss is, maar ik word er niet gelukkig van. Merk op dat de massa van deze bak nu 0,83 kg is.

Hoofdletter K staat voor de temperatuurseenheid Kelvin, hoofdletter G is een Gauss (een magnetische fluxdichtheid). Wowzers.

Energie: calorie en joule

Om mysterieuze redenen die ik niet begrijp, zijn er volksstammen die zich bezighouden met de hoeveelheid ‘voedingswaarde-energie’ die ze naar binnen werken. Laten we vooraan beginnen: de (afgeleide) SI-eenheid voor energie is joule (J), wat overeenkomt met een kg·m²·s⁻². Alle soorten energie kunnen uitgedrukt worden in joule. Soms vinden wetenschappers het gemakkelijker om energie anders uit drukken, bijvoorbeeld in elektronvolt of in 1/cm. Vroeger, toen energie nog niet zo goed begrepen werd, was verbrandingsenergie in calorie een veelvoorkomende eenheid. Één calorie is de hoeveelheid (warmte)energie die nodig is om één gram (zuiver) water één graad Celsius te verwarmen.

Maar nu wordt het lastig: voedsel heeft een bepaalde, gestandaardiseerde voedingswaarde. Als een gemiddeld persoon met een gemiddelde spijsvertering een gemiddelde appel zou eten, zouden de cellen in diens lichaam daar een bepaalde hoeveelheid chemische energie uit kunnen oogsten. Bijvoorbeeld slecht kauwen kan ervoor zorgen dat voedsel onvolledig wordt verteerd. Desalniettemin denken een heleboel mensen, geheel onterecht, dat je met ‘calorieën tellen’ bij kan houden hoeveel dikmakend voedsel je naar binnen werkt. Daar bovenop komt dat het tellen van calorieën verwarrend is, omdat voedingsmiddelen-fabrikanten soms de afkorting cal, soms Cal en soms kcal gebruiken om calorie aan te duiden. Je begrijpt dat duizend cal één kcal is, maar wat veel mensen niet weten is dat een Cal óók een kcal is. Wat sommige etiketmakers ook niet begrijpen, is dat er een verschil is tussen een cal en een kcal. Gelukkig is het verplicht om voedingswaarde-energie altijd (ook) aan te duiden in joule of kilojoule. Maar ja, calorieën tellen doe je natuurlijk niet in joule.

Bestandsgroottes en downloadsnelheden

Tot slot een speciaal en ingewikkeld geval: computerdata. Door een ingewikkelde geschiedenis van onenigheid, SI-adoptie, suffe conventies en commerciële belangen is dit verreweg het slechtst gestandaardiseerd. De basiseenheid van computergeheugen is een bit. Dat is een eentje of een nulletje. Vaak zijn acht bits samen een byte, de kleinste hoeveelheid informatie die van een computergeheugen kan worden gelezen of ernaar kan worden geschreven. Een byte wordt gebruikt voor één karakter en omdat er acht bits in een byte zitten, zijn er historisch 2⁸ karakters mogelijk. Maar nu begint de onduidelijkheid: het symbool voor een bit is een b en een B voor byte. Dit wordt geregeld fout gebruikt.

Je zou nu zeggen dat een kb duizend bits zijn en een kB zijn duizend bytes. Zo is ook een megabit een Mb (of soms Mbit) en een megabyte een MB. Maar omdat er in binaire systemen graag gewerkt wordt met machten van 2, was een kilobyte ooit 1024 bytes (2¹⁰), in plaats van 1000 bytes. Niet dat dat een heel groot verschil maakt (2,4%). Om aan te geven dat er met machten van 2 wordt gewerkt, in plaats van met machten van 10, wordt 1024 bit afgekort met kib (kibibit) en 1024 byte met een kiB (kibibyte). Zo is een MiB ook weer 1024 kB. Let op dat een mb of een mB twee onnozele weergaven zijn van ‘een duizendste van iets ondeelbaars’ en een byte respectievelijk.

Nu datasnelheden. Bestandsgroottes worden vaak weergegeven in veelvouden van bytes. Een downloadsnelheid zou dus weergegeven moeten worden in kB/s of in MB/s. Sommige mensen vinden deelstrepen heel erg lastig en vervangen die dan door een ‘-p-’ (van ‘per’). Maar omdat een snelheid uitgedrukt in bits per seconde een acht keer zo grote numerieke waarde heeft als diezelfde snelheid in bytes per seconde, geven bijna alle aanbieders van dataverbindingen hun snelheden weer in kbps of Mbps. Een bit is helemaal niet nuttig, maar een (veelvoud van) byte(s) wél. Niet incorrect, maar wel voor veel mensen reden tot verwarring. Het eerlijkst zijn de bedrijven die het over MB/s hebben, want als ik een bestand van 700 MB wil downloaden, moet ik mijn theoretische maximale snelheid (afhankelijk van de computer) in het ergste geval ook nog eens door 8*2¹⁰ delen om uit te rekenen hoe lang mijn koffiepauze duurt.

Het simuleren van eiwitten kun je zelf met Foldit

Aldo — Tue, 20 Dec 2011 13:25:44 +0000

Tijdens m’n bachelor heb ik een paar keer wat computersimulaties gedaan. Voor degenen die onbekend zijn met simulaties zal ik in het volgende voorbeeld inzichtelijk maken wat dat inhoudt. Stel je voor dat je met een keu tegen een biljartbal stoot. Als je precies weet hoe zwaar die bal is en hoe hard je stoot, kun je behoorlijk berekenen waar die bal terecht komt. Je kunt hierbij een aanname maken over hoeveel snelheid de biljartbal verliest door het rollen (rolweerstand) en hoeveel tijdens het stoten tegen de rand van de pooltafel. Dit is best lastig om te berekenen, dus wordt de berekening op een computer gedaan: een computersimulatie. Op ieder interessant punt in de tijd wordt er gekeken wat de snelheid van de bal is. Dan worden alle krachten die op de biljartbal werken (rolweerstand, inelastisch botsen) in overweging genomen en er wordt een nieuwe (kleinere) snelheid berekend. Herhaal dit totdat de snelheid van de bal nul is en teken de baan van de bal uit op grafiekpapier. Dit is je eerste, echte simulatie. Als je een beetje handig bent met Excel zou je dit ook prima zelf op de computer kunnen doen. (Als je écht handig bent met computers raad ik je C of Python aan.)

Je kan nu goed zien wanneer computersimulaties handig zijn: zou je nu een heleboel biljartballen op de tafel hebben liggen, dan is dit niet meer redelijk met Excel te doen. Mijn eerste simulatie bestond ook uit een driedimensionale doos met stuiterballen zonder zwaartekracht. Nee, dat is niet helemaal waar. Mijn eerste echte simulatie was drie jaar daarvoor. Ik simuleerde twee puntjes die elkaar (magnetisch) aantrokken, zonder wrijving, zonder zwaartekracht, in twee dimensies. In Excel.

Nu eiwitten. Eiwitten zijn de werkers van alle cellen in alle organismen. Eiwitten zijn verschrikkelijk ingewikkelde dingen. In een cel worden een reeks van aminozuren aan elkaar geregen tot een lange ketting. Die ketting wordt daarna heel specifiek gevouwen en opgepropt. Daarna worden er misschien stukjes vanaf geknipt, andere stukjes van andere kettingen aan geplakt, dán worden er misschien nog wel wat suikers aan geplakt en met een beetje geluk wordt het geheel ook nog eens in een vettige envelop ingepakt om verstuurd te worden. Als het eiwit op de plaats van bestemming is gekomen, wordt het uitgepakt om daar z’n werk te doen. De werking van het eiwit hangt af van de soorten aminozuren waaruit het eiwit opgebouwd is en hoe het eiwit gevouwen.

Structuurformule van alle 20 natuurlijke aminozuren. De aminozuren zijn in deze tabel onderverdeeld naar soort: positief geladen, negatief geladen, polair ongeladen (scheve ladingsverdeling), speciale gevallen (kan bijvoorbeeld zwavelbruggen vormen) en hydrofobe zijketen (‘water-vrezend’). Afbeelding Wikimedia Creative Commons.

Een van de grote vragen in de wetenschap is “Hoe gedraagt een eiwit zich?” Een nog grotere vraag is: “kunnen we voorspellen hoe een eiwit zich gedraagt, als we weten hoe de aminozuur-volgorde is?” En dat is waar de computersimulaties om de hoek komen kijken. Je zou je bijvoorbeeld kunnen afvragen hoe twee eiwitten zich gedragen als ze elkaar tegenkomen. Stel, ze binden zich aan elkaar (“docking“), hoe verandert de stuctuur van die eiwitten dan? Om dit wat inzichtelijker te maken, heb ik twee afbeeldingen voor jullie opgezocht uit m’n persoonlijke archief, van twee eiwitten die aan elkaar gebonden zijn. Het is een beetje lastig om een eiwit weer te geven, want atomen kun je niet zien. Daarnaast hebben de meeste eiwitten geen eigen kleur. De twee meestgebruikte manieren om een eiwit af te beelden heten “ruimtevullend” (links) en “lint” (rechts). De derde “bolletjes-en-stokjes”-weergave is niet zo heel geschikt voor eiwitten, maar wordt wel vaak voor kleinere, organische moleculen gebruikt.

Twee weergaven van twee gebonden eiwitten. Links (ruimtevullend) is het ene eiwit blauw (met het ene gebonden gedeelte paars) en het tweede eiwit bruinig (en het gebonden gedeelte rood). Rechts (lint-weergave) dezelfde twee eiwitten: de ene groen en de andere aqua. Afbeelding © Scheikundejongens

En omdat simulaties van die mooie afbeeldingen geven, heb ik hier nog een gecomputerde plaatjes van een eiwit waar alle drie de soorten weergaven gebruikt zijn voor één en hetzelfde eiwit. Door sommige delen op andere manieren weer te geven — bijvoorbeeld van het bindende gedeelte bolletjes-en-stokjes te gebruiken, en niet-bindende delen lint-weergave — kan een getraind oog enorm veel leren van deze afbeelding.

Een schematische afbeelding van een eiwit waarin alle soorten weergaven gebruikt zijn: lint, ruimtevullend en bal-en-stok. Hier zijn de balletjes van de stokjes weggelaten, maar je zou de aminozuren kunnen herkennen. Afbeelding © Scheikundejongens

Zo. Nu weten we een beetje over simulaties en over eiwitten. Helaas gaat het leven van een wetenschapper niet over rozen. Het simuleren van eiwitten is helemaal niet eenvoudig. Sterker nog, het is een drama: eiwitten in water bewegen de hele tijd. Als er een beetje zout of zuur bij komt, beweegt hij weer anders. En als hij in het ene gedeelte van een cel zit, is hij anders gevouwen dan in een ander gedeelte van een cel. Ook zijn eiwitten veel te groot om “exact” te berekenen hoe ze gevouwen zijn (kwantummechanisch), laat staan dat te berekenen is hoe ze reageren op andere eiwitten.

Wetenschappers zijn al decennia op zoek naar oplossingen voor dat probleem. De eenvoudigste manier is snellere computers kopen. Maar zelfs de grootste en snelste computers op deze aarde zijn nog niet goed genoeg om kleine eiwitten door te rekenen. Wetenschappers moeten wat ze al weten over eiwit-interactie in de simulatie meegeven. In plaats van te berekenen hoe de atomen zich gedragen waaruit het eiwit bestaat, wordt gekeken hoe de aminozuren zich gedragen. De atomen waar de aminozuren uit bestaan, zitten dan vast. Een nog grotere vereenvoudiging is om een aantal aminozuren die achter elkaar zitten, als star te beschouwen. Als een bepaalde reeks aminozuren in een slinger zitten, en die slinger komt voor in een heleboel verschillende eiwitten, dan is het interessant om eens te onderzoeken of die slinger altijd eenzelfde soort functie heeft. Misschien grijpt die slinger wel altijd aan een celwand, of hij houdt water uit de buurt van de bindingsplaats. Of als er een reeks aminozuren een hol buisje vormt, vervoert het eiwit daar misschien wel iets door. Het is allemaal mogelijk.

Samengevat: eiwitten zijn grote, opgepropte slingers van aminozuren. Om te simuleren hoe eiwitten zich gedragen, wordt bekeken hoe ieder aminozuur zich gedraagt. Aminozuren kunnen ten opzichte van elkaar een beetje bewegen en draaien, maar niet veel. Naast dat twee aminozuren niet op dezelfde plek kunnen zijn, voelen ze elkaar op nog meer manieren. Het is belangrijk om te weten dat er in de natuur 20 verschillende aminozuren zijn. Sommigen zijn een beetje positief of negatief geladen, dus die trekken elkaar aan of stoten elkaar af, net als magneten. Andere aminozuren zijn een klein beetje geladen en kunnen waterstofbruggen met elkaar maken. Eentje bevat een zwavelatoom en kan zwavelbruggen maken. Tot slot zijn een paar aminozuren graag in de buurt van water en anderen niet. Eiwitten zitten meestal in een waterige omgeving (in een cel of in bloed), dus die water-hatende (hydrofoob) aminozuren zullen naar binnen richten en de water-minnende (hydrofiel) aminozuren zullen juist aan de buitenkant van het eiwit zitten.

Zo, nu weten hebben we genoeg voorkennis om perfect te kunnen begrijpen waar Foldit over gaat. Want waar gaat dit verhaal nou heen? Keiharde wetenschap. Sterker nog: zelf keiharde wetenschap beoefenen. Al die computers die de hele tijd eiwitstructuren proberen te berekenen zijn niet zo handig. Ze kosten veel geld, abstracte regels voor het vouwen van eiwitten zijn ingewikkeld en mensen hebben een extreem ontwikkeld ruimtelijk inzicht. Het is een beetje zoals de spellingscontroller op je computer: je tekstverwerker kan je wél vertellen dat “werdt” altijd fout is, maar hij ziet slecht in wanneer een woordkeuze beter kan. Mensen kunnen dat wel.

Foldit is een computerspel waarbij de speler een eiwit zo goed mogelijk moet vouwen. Het spel is gebaseerd op Rosetta@home. De computer berekent hoe goed een vouwing is en geeft aan elke structuur een score mee. Die score is omgekeerd evenredig met de energie van het eiwit. Als je dat een beetje ingewikkelde manier van denken vindt, moet je bedenken dat een hogere score, een betere eiwitvouwing inhoudt. Foldit begint met een serie eenvoudige eiwitten die je laten oefenen met de opbouw van het spel. Eerst krijg je te zien hoe je een eiwit draait, dan mag je hem zelf heen en weer trekken. Je moet erop letten dat een eiwit hydrofobe gedeeltes heeft die liever binnenin zitten, in plaats van naar buiten gekeerd. Later kun je met denkbeeldige elastiekjes bepaalde gedeeltes van eiwitten naar elkaar toe trekken. Al die handelingen zorgen ervoor dat de beste kwaliteiten van de computer samengevoegd worden met de beste kwaliteiten van de gamer. Rekenkracht en inzicht. De perfecte samenwerking.

http://www.youtube.com/watch?v=lGYJyur4FUA

Maar wacht, er is meer! Ook de gamer zal een heleboel handelingen moeten herhalen. Aan het begin van elke nieuwe eiwit-uitdaging, zal de speler een aantal dezelfde dingen doen: eerst een wiggle, dan een shake (of misschien andersom). Dat zijn dingen die de computer ook best zonder de hulp van de gamer kan doen. Om die standaard-handelingen te automatiseren is er een kookboek-functie in het spel geïmplementeerd, genaamd cookbook. Er kan gekozen worden uit een lange lijst handelingen die in een bepaalde volgorde, automatisch uitgevoerd kunnen worden. Eerst selecteren, een shake en dan een wiggle kan geautomatiseerd worden door: select_all() do_shake() do_global_wiggle(). Er schijnt ook een knoppen-gebaseerd GUI-alternatief voor het scripten te zijn, maar daar heb ik nog niet naar gekeken.

http://www.youtube.com/watch?v=lRvNVZPhrB8

Zo’n succesverhaal is niet compleet zonder een aantal succesvolle publicaties in vooraanstaande tijdschriften: Nature, PNAS, Nature Structural and Molecular Biology en Nature Biotechnology zijn maar een paar voorbeelden. Absoluut geen misselijke score.

Foldit is beschikbaar voor Windows, Mac OS X en Linux (link). Het spel is gratis voor iedereen, er zit een duidelijk wedstrijdelement in, maar het is ook prima in single-player mode te spelen. Er zijn nog enorm veel structuren van eiwitten onbekend, dus er is genoeg te doen. Ik stel voor dat jullie je kerstvakantie lekker vullen met hardcore simulaties van eiwitten en de wetenschap een handje helpen.

Meer informatie:

Een PWS-ideetje over resistente bacteriën

Aldo — Fri, 30 Sep 2011 15:08:39 +0000

Zo af en toe krijgen we vragen over een profielwerkstukidee. Ook omdat zoveel bezoekers ons vinden via Google met de zoekwoorden “profielwerkstuk”, “pws” en “scheikunde”, hebben we eens een Profielwerkstukpagina in elkaar gedraaid. Wordt veel bezocht. Deze week kregen we het het volgende mailtje.

Hallo,

Mijn vriendin en ik doen ons PWS over antibiotica resistentie. We willen hier ook graag iets praktisch bij doen, in de vorm van een proefje. Maar op internet hebben we tot nu toe nog niet iets gevonden wat we geschikt vonden. Nu vroegen wij ons af of jullie misschien een idee hebben.

Alvast bedankt!
Groeten Lisa

Na wat nadenken en rondvragen hebben we een lange mail teruggestuurd. Maar, omdat we vinden dat Lisa en haar vriendin zo’n goed idee hebben, willen we ons antwoord ook graag met de rest van de wereld delen. Hieronder de mail die we teruggestuurd hebben, die vooral gaat over veiligheid en het idee achter resistentie. Met een uitgebreid experiment. Enjoy.

Dag Lisa,

Leuk idee! In de eerste instantie dacht ik dacht het nog wel snel gevaarlijk kon worden, maar dat valt mee. Zoals je misschien al achterhaald hebt, zijn er een heleboel bacteriën die niet goed zijn voor mensen. Daarom was je altijd je handen als je naar de wc bent geweest. En als je een willekeurige stam bacteriën (die slecht of onschadelijk zijn voor mensen) resistent maakt, zijn ze mogelijk nóg gevaarlijker.

Een voorbeeld: stel, jullie hebben een petrischaaltje met een vieze E. Coli gevonden. De meeste E. Coli groeit het beste bij 37ºC (lichaamstemperatuur), en zal het niet zo goed overleven bij 49ºC. Wat jullie zouden kúnnen doen (maar wat ik afraad zonder dat jullie je laten begeleiden) is die bacteriën een tijdje laten groeien bij 38ºC, dan een tijdje bij 39ºC, enz… totdat je bij de 49ºC bent. Dit kan zo een week of wat duren. Wat nu gevaarlijk kán zijn, is dat als deze bacterie je ziek maakt, je hem nu sterker aan het maken bent, waardoor hij je nóg beter ziek kan maken. Ook kan hij in meer soorten milieus overleven, wat overdracht van de bacterie vereenvoudigt.

Maar goed, ik neem aan dat jullie slimme meiden zijn, en jullie je goed laten begeleiden. Wat ik denk, dat jullie goed moeten begrijpen, is het volgende: bacteriën hebben een bepaalde optimale set groeiomstandigheden. Een optimale temperatuur, pH, zoutconcentratie van de omgeving, en soort en hoeveelheid voedingsbodem. Als de bacteriën in een ander milieu komen, gaan ze meestal dood of stoppen ze met groeien. Het fijne aan bacteriën is dat ze zich snel vermenigvuldigen. Waar een generatie mensen ongeveer 20–35 jaar duurt (de meeste mensen krijgen dan kinderen), is dat bij bacteriën meestal minuten of uren (afhankelijk van de bacteriesoort en milieu). Belangrijkste factoren zijn hoeveelheid voeding en temperatuur.

En dan komen we nu eindelijk bij een antwoord op jullie vraag: wat jullie kúnnen doen (maar waarvan ik de gevaren slecht kan inschatten) is dat jullie wat bacteriën oogsten (haal een wattenstaafje langs een vieze wc-bril, een tweede langs je wangslijmvlies, een derde langs wat aarde, enz. In Yakult zitten ook superspeciale bacteriën) en die proberen te laten groeien in een petrischaaltje. Als jullie dat onder de knie hebben (en geen last hebben van schimmels in jullie petrischaaltjes), kunnen jullie gaan kijken waar ze dood van gaan. In het voorbeeld hierboven noemde ik al temperatuur, maar je kan ook denken aan bacteriedodende zeep (Dettol), Alcohol, heel hard tegen ze schreeuwen, weet ik veel. Stap drie is dan hele kleine hoeveelheden zeep aan de bacteriën geven, zodat ze tijd hebben om eraan te wennen. Ik laat het aan jullie over hoe dat wennen werkt. Daar kun je een prima hoofdstuk van je PWS over schrijven (hint hint hint!). Als de bacteriën gewend zijn, kun je de dosis (temperatuur, hoeveelheid zeep, enz) opvoeren, totdat je bij de dosis aankomt waarbij ze voorheen dood gingen. Als ze dan nog leven, hebben jullie met veel succes een bacteriestam resistent gemaakt.

Wat ik aan jullie overlaat is waarop je bacteriën het beste kan laten groeien (gewoon in een petrischaaltje gooien werkt niet), hoe je kan controleren hoeveel ze gegroeid zijn, en hoe het mechanisme van resistentie in elkaar zit. Ow, en vergeet ook niet uit te leggen wat bacteriën zijn en hoe ze zich voortplanten.

Misschien dat ik nu al een veel te groot gedeelte van jullie profielwerkstuk voor heb gekauwd, maar ik denk ook dat het experiment dat ik hierboven beschrijf misschien wel een grote uitdaging is voor leerlingen van een middelbare school. Ik denk wel dat als jullie dit uitgebreid uitwerken, dat jullie docent trots op jullie zal zijn. Laat het me weten als jullie over een jaar een cijfer hebben. Vind ik leuk.

Als jullie nog meer hulp nodig hebben, raad ik jullie aan om contact te zoeken met een universiteit in de buurt (of een hoge school). Die hebben meestal wel professionele hulp voor bij profielwerkstukken. Bijna elke universiteit heeft ook wel een gewoon lab waar jullie onder assistentie wat proeven zouden kunnen uitvoeren. Dan gebeurt alles in ieder geval wel veilig.

Zet’m op en ik hoor graag nog eens van jullie.

Groeten,

de Scheikundejongens

De zaak van de zwavelzuurcentrale — door John Cleese

Aldo — Mon, 12 Sep 2011 07:31:23 +0000

Ach ja, de verborgen schatten van YouTube. Hier hebben we er eentje. Een schoolvideo uit de jaren 1976 over zwavelzuur, voorzien van commentaar door John Cleese. Het filmpje is geupload in mei dit jaar met de vriendelijke toestemming van Akzo Nobel / ICI.

In het Engelstalige filmpje volgen we een typisch Britse detective die veel referenties maakt naar Sherlock Holmes en diens auteur. De detective heeft natuurlijk een hond bij zich want tegen jezelf praten is ook maar zozo. Die lieve schoolkindertjes moesten in de jaren ’70 natuurlijk al die LSD-verleidingen weerstaan, dus een rolmodel dat hardop in zichzelf praat zou fout zijn. Zelf vind ik het filmpje erg leuk, maar dat ligt natuurlijk vooral aan de commentator en zijn ‘stiekeme’ gastrol in het avontuur.

http://www.youtube.com/watch?v=r7XdRMNXVgM

Disclaimer: ik heb geen technische scheikunde gestudeerd dus ik heb werkelijk geen idee hoe verouderd de systemen zijn die uitgelegd worden. Maar, het YouTube-bijschrift stelt met olijke zekerheid dat het filmpje nog altijd op scholen in het Verenigd Koninkrijk vertoond wordt. Toegegeven, het is een erg goed verhaal, maar ik zou me kunnen voorstellen dat er scholieren zijn die de veroudering van het filmpje op zouden merken. Vooral als de docent hiervoor speciaal de VHS recorder af moest stoffen.

Bonusvideo over Oleum hier. Gemaakt door een amateuristische sukkel omdat hij verkeerde handschoenen draagt, z’n ballonpipet ondersteboven houdt en hij in z’n eentje in een lab (of nog erger, thuis?) werkt.

Tip via Sciencebase

Het mengen van schoonmaakmiddelen

Mark — Wed, 22 Jun 2011 12:39:39 +0000

De Scheikundejongens zijn enorm fan van experimenten die je zelf thuis kunt doen. Maar sommige experimenten kun je maar beter niet doen. In de categorie Don’t Do It Yourself (DDIY): het mengen van schoonmaakmiddelen. Op verpakkingen van schoonmaakmiddelen lees je vaak dat je dit niet mag doen. Maar waarom eigenlijk? Om dat te kunnen beantwoorden, moeten we eerst kijken waar schoonmaakmiddelen uit bestaan.

Een bruisend mengsel van Glorix en Harpic Max

De precieze samenstelling van schoonmaakmiddelen verschilt van product tot product, maar er zijn natuurlijk ook grote overeenkomsten. Vrijwel alle schoonmaakmiddelen — van afwasmiddel tot waspoeder — bevatten oppervlakte-actieve stoffen (surfactanten), met als uitzondering bijvoorbeeld spiritus of aceton. Oppervlakte-actieve stoffen zijn moleculen met een hydrofiele kop en een hydrofobe staart: hun hoofd wil graag in water zitten, hun staart in vet en olie. Daardoor worden vet en olie een stuk gemakkelijker om te verwijderen. Een blokje zeep bestaat praktisch alleen maar uit dit soort moleculen.

Sommige schoonmaakmiddelen bevatten ook bleekmiddelen. Een bleekmiddel is niets meer dan een oxidator. Er zijn twee belangrijke soorten: chloorbleekmiddelen en zuurstofbleekmiddelen. Een voorbeeld van de eerste soort is hypochloriet (ClO^-), van de tweede waterstofperoxide (H₂O₂). Deze stoffen zijn goed in het afbreken van organische verbindingen (zoals kleurstoffen) en hebben daarom een blekende werking. De ‘gewone’ Glorix bevat hypochloriet. Glorix O₂ bevat waterstofperoxide (dat is dus wat ze bedoelen met de kreet actieve zuurstof formule op de verpakking).

Andere schoonmaakmiddelen bevatten bijvoorbeeld weer (verdund) zoutzuur. Zoutzuur is niet echt een sterke oxidator, maar wel een sterk zuur, wat ook helpt om allerlei vuil weg te krijgen. Een voorbeeld hiervan is Harpic Max.

Maar wat gebeurt er dan als je verschillende (soorten) schoonmaakmiddelen mengt? Dat hangt natuurlijk af van de combinatie. Meng je een zoutzuur-houdend middel met een waterstofperoxide-houdend middel, dan gebeurt er ogenschijnlijk niks. Echter, het resulterende mengsel is iets dat sommige hobbyisten nog wel eens gebruiken om printplaten mee te etsen. Het toevoegen van zuur maakt waterstofperoxide namelijk een sterkere oxidator. Agressief spul dus, en niet iets voor thuis.

Het mengen van hypochloriet met waterstofperoxide geeft wel direct een zichtbare reactie. Het hypochloriet reageert met het waterstofperoxide onder vorming van onder andere zuurstofgas. Niet direct heel gevaarlijk, tenzij er brandbare materialen in de buurt zijn. De reactie is hieronder weergegeven:

De derde en laatst combinatie is meteen ook de gevaarlijkste: hypochloriet en zoutzuur. Meng je die twee, dan ontstaat er chloorgas, wat zelfs in lage concentraties extreem giftig of zelfs dodelijk is. Ook kan het bijvoorbeeld brandwonden veroorzaken. Het chloorgas wordt als volgt gevormd:

Conclusie: meng dus nooit schoonmaakmiddelen met elkaar. Dat staat natuurlijk ook al op de verpakking, maar sommige mensen doen het toch (filmpje). Als je dan toch twee verschillende schoonmaakmiddelen wilt gebruiken om een hardnekkige vlek weg te krijgen, spoel dan tussendoor met voldoende water.

Met dank aan Lucas Keijning voor het idee.

Ken je glaswerk: de Soxhlet

Aldo — Fri, 17 Jun 2011 14:33:36 +0000

De chemicus Franz von Soxhlet (1848–1926)

Niets zo heerlijk als een obscuur stuk glaswerk. Vandaag: de Soxhlet (spreek uit: soks-let), vernoemd naar de Duitse chemicus Franz von Soxhlet (1848–1926).

Soxhletten (als dat een werkwoord is) is koffiezetten voor gevorderden. Waar gewoon koffiezetten enkelmaal extraheren is, kan een Soxhlet gebruikt worden om continu te extraheren. Voor de volledigheid: bij extractie wordt een vaste stof in een oplosmiddel gebracht en een van de componenten van de vaste stof lost op in het oplosmiddel. Door filtratie wordt het oplosmiddel (samen met de opgeloste stof) gescheiden van de vaste stof. De opgeloste stof kan dan van het oplosmiddel gescheiden worden door de vloeistof te verdampen.

Dit is precies wat een Soxhlet doet, maar dan in een meer continu proces. Een bekende proef die gebruik maakt van zo’n continu proces is de extractie van weekmakers — zoals [di(2-ethylhexyl) fthalaat (DEHP)] — uit scoubidou-touwtjes. De weekmaker DEHP lost wel op in chloroform, maar de rest van de scoubidou-touwtjes niet [1]. Nu lost DEHP niet heel fantastisch op in chloroform, dus je zou heel veel chloroform moeten gebruiken. Maar als er met heel veel oplosmiddel geëxtraheerd wordt, is de concentratie DEHP in chloroform erg laag. Als dan de oplossing ingedampt wordt, moet er heel veel chloroform verdampt worden en kan er nog wel eens wat DEHP meeverdampen. Dat zou zonde zijn.

Aanschouw: de legendarische Soxhlet. Wat er gedaan wordt, is het volgende. Zoals er op de geanimeerde afbeelding te zien is, wordt het oplosmiddel (chloroform, oranje in de afbeelding) in een rondbodemkolf gedaan. Die wordt verwarmt, verdampt en stijgt via de rechter arm de Soxhlet omhoog. Bovenop de Soxhlet zit een bolkoeler waar koud water doorheen stroomt. Daardoor koelt het verdampte oplosmiddel af, condenseert in de bolkoeler bovenin en druppelt in het gedeelte van de Soxhlet waar de vaste stof is (in een bakje of een huls van filterpapier-achtig materiaal). De weekmaker lost langzaam in de (nog een beetje warme) chloroform op. Omdat er zich steeds meer en meer chloroform verzameld, daar waar de scoubidou-touwtjes zitten, zal het bakje na een tijdje overstromen. Dat is de grote kracht van de Soxhlet, omdat er nu chloroform (met daarin opgelost de weekmaker) terugvloeit naar de rondbodemkolf. Terug in de rondbodemkolf kan er opnieuw chloroform verdampen, maar de weekmaker blijft achter in de rondbodemkolf.

Na uren of dagen “her-extraheren” is uiteindelijk bijna geen weekmaker meer te vinden in de scoubidou-touwtjes, er is niet veel chloroform gebruikt en er is al helemaal geen chloroform of weekmaker verloren gegaan, omdat er in een ‘gesloten’ systeem gewerkt wordt. Prachtig.

[1] Natuurlijk zitten er stiekem nog meer dingen in die vieze touwtjes die ook in chloroform oplossen, zoals sommige kleurstoffen, maar dat schuif ik voor het gemak maar onder het tapijt.

Extractie van aardbeien-DNA

Aldo — Mon, 06 Jun 2011 12:31:44 +0000

Al maanden heb ik het idee om hierover te schrijven, maar nu is dan écht het aardbeien seizoen fatsoenlijk bezig. Vandaag een eenvoudige manier om met DNA te spelen.

DNA vind ik maar merkwaardig spul: vier soorten basisblokjes, in een schijnbaar willekeurige volgorde. Sommige mensen geloven dat alle genetische informatie in DNA gecodeerd zit. Tegenwoordig zijn er een aantal sterke vermoedens dat er meer moleculen invloed hebben op de genetische code, zoals histonen. In één cel wel twee meter lang (als je al het DNA in die cel achter elkaar zou leggen). Zo’n DNA-streng is dan wel maar een miljoenste van een millimeter breed. Zou het nou niet leuk zijn, om wat zuiver DNA te kunnen zien? Met het blote oog?

Vandaag de extractie van DNA uit een aardbei. Waarom een aardbei? Mensen hebben twee kopieën van hun DNA in elke cel. Aardbeien daarentegen hebben er acht. Mensen zijn ‘diploïd’, aardbeien ‘octaploïd.’ Maar goed, genoeg theorie, tijd om vieze handen te krijgen.

Benodigdheden

Maatbeker
Maatlepels
Ethanol (bijvoorbeeld ontsmettingsalcohol, schoonmaakalcohol of spiritus)
1/2 theelepel zout
1/3 kop water
1 theelepel detergent (afwasmiddel of échte zeep)
Glas of kleine schaal
Theedoek of koffiefilter
Trechter
Hoog drinkglas
3 aardbeien, zonder kroontje
Hersluitbare plastic broodzakjes
Reageerbuis of klein glazen potje (bijv. kruidenpotje)
Lange satéprikkers

Uitvoering

Koel de alcohol in de diepvries. Die ga je later nodig hebben.
Meng het zout, water en de detergent (afwasmiddel) in een glas of kleine kom. Dit is de ‘extractievloeistof.’
Span de theedoek of het koffiefilter in de trechter en zet de tuit van de trechter in het glas.
Doe de aardbeien in de plastic zakjes en druk de lucht eruit. Zorg ervoor dat er geen lucht meer bij kan komen door ze af te sluiten.
Druk met je vingers de aardbeien stuk tot een papje (twee minuten). Zorg ervoor dat je het zakje niet kapot maakt.
Voeg drie theelepels van de extractievloeistof die je in stap twee maakte, bij de aardbeien in het zakje. Druk alle extra lucht er weer uit en hersluit het zakje. De detergent zorgt ervoor dat de cellen van de aardbeien open gaan en het DNA eruit kan komen. Het zout zorgt ervoor dat het DNA aan elkaar gaat plakken. DNA is een klein beetje negatief geladen, maar daar merk je verder niks van.
Druk weer voor ongeveer een minuut in het aardbeienpapje, zodat alles goed is gemengd.
Schenk het aardbeienmengsel vanuit het zakje, in de trechter (dus in het koffiefilter of in de theedoek). Laat het vocht in het glas druipen zodat er geen vocht meer achter blijft in de trechter.
De theedoek en het het aardbeienprutje heb je niet meer nodig, dus die kun je weg doen. Doe de inhoud van het glas met aardbeienvocht in de reageerbuis (of kleine glazen potje), zodat het ongeveer voor een kwart vol is.
Houd de reageerbuis (of kruidenpotje) schuin en schenk heel langzaam de ijskoude alcohol langs de kant. Als je dit voorzichtig genoeg doet, blijft het bovenop het aardbeienvocht liggen, omdat alcohol een kleinere dichtheid heeft dan water. Het is belangrijk dat de alcohol niet met het aardbeienvocht mengt, omdat het DNA zich tussen de twee vloeistoflagen zal verzamelen. DNA lost niet op in alcohol. Als de alcohol wordt toegevoegd, precipiteert het DNA uit en blijft de rest van het mengsel in oplossing in het water.
Doop een lang satéstokje in de reageerbuis, met de punt tussen de alcohollaag en het aardbijenwater in. Haal het satéstokje weer omhoog. Het witte (heldere) spul dat je nu omhoog trekt is het aardbeien-DNA. Tadaa!

Als je geen zin hebt in al dat geklooi met dingen, of heb je je aardbeien allemaal al opgegeten voordat je aan je experiment kon beginnen, dan kun je ook op de website van de Universiteit van Utah een DNA extractie doen: DNA Extraction Virtual Lab.

Met dank aan dr. Erika Eiser voor de tip, originele recept hier.

Bereken en voorspel het jaar 2050

Aldo — Mon, 30 May 2011 08:00:10 +0000

Een tijdje geleden had ik het genoegen om een lezing van prof. David MacKay bij te wonen. Al eerder schreven we over zijn fantastische boek. De gelegenheid waar hij sprak had te maken met een donatie van 20 miljoen Britse ponden aan het instituut waar ik nu stage loop. Gelukkig bleef hij nuchter en hield hij een eerlijk praatje.

Wat ik zo speciaal aan prof. MacKay vind, is zijn manier van uitleggen. Klimaatverandering en energiebesparing zijn geen gemakkelijke onderwerpen. Alleen al de wetenschappelijke concepten zijn niet eenvoudig, dus als daar dan ook nog eens morele en culturele overwegingen bij komen, is het goed te begrijpen dat de discussies snel uit de hand kunnen lopen. Ik denk dat het onze plicht als wetenschappers is, om niet-deskundigen uit te leggen zijn wat de feiten zijn. Een extreem handig middel is het concept van prof. MacKay: de gloeilamp. In een eerder filmpje van hem hier, konden we horen hoe hij uitlegde dat een 40 watt lamp elke dag 1 kilowattuur (kWh) gebruikt. Omdat joules en watturen lastige eenheden zijn om mee te rekenen — die eenheden zeggen niet veel mensen wat — introduceert hij de lamp. 24 uur een lamp aan laten is een duidelijk concept. Al het energiegebruik omrekenen naar eenheden van “gloeilampen” is een handig gedachtenexperiment.

Als wij, de Scheikundejongens, diep in ons hart kijken, zullen we ontdekken dat we alleen maar willen uitleggen. Dit soort vereenvoudigende concepten zijn hierin verschrikkelijk belangrijk.

Prof. MacKay is adviseur voor de Britse overheid. Hij adviseert de overheid over energie en klimaatverandering. Om de gevolgen van beslissingen over energie duidelijk te maken in het jaar 2050, heeft hij een een webtool gemaakt. Het is een programmaatje op het Internet waarmee iedereen kan “uitrekenen” wat elke energiebesparing voor nut heeft. Het is niet echt uitrekenen, maar meer het aanvinken van beslissingen. Een korte introductie door prof. MacKay zelf:

http://www.youtube.com/watch?v=lL1iyG2_hOQ

Ik vind dit een heel erg interessante gedachte: zelf kunnen zien wat elke overweging voor gevolgen heeft voor het jaar 2050. Geen geklier met moeilijke formules, niks vergeten en geen “ja maar…”. Als we meer en meer energie willen gebruiken, zullen er ook meer manieren moeten komen om energie op te wekken. Maar als we bepaalde manieren niet willen, dan zullen we ook minder energie moeten gaan gebruiken. Simpel als dat. Ik heb zelf even met de tool gespeeld en ik denk dat dit wel een interessante optie is:

Klik op de afbeelding om te zien of dit een realistisch idee is.

De daadwerkelijke webtool vind je hier en meer informatie over de tool hier. Er is onder het tabblad “Story” ook interessante achtergrondinformatie te vinden. Bekijk ook zeker eens de “Example Pathways”. Laat me alsjeblieft weten wat jullie van dit soort websites vinden, in de commentaren hieronder. Zou er ook een Nederlandse variant moeten komen? Is dit interessant voor het Nederlands scheikundeonderwijs?

Een kort grafisch overzicht van wat we niet weten

Aldo — Fri, 20 May 2011 07:00:54 +0000

De eindexamens zijn bezig en dat betekent dat een hoop middelbare scholieren straks aan de volgende stap in hun leven gaan beginnen. Het VWO leidt scholieren op, zodat ze straks aan de universiteit kunnen beginnen. De universiteit leidt op diens beurt weer op, om onderzoeker te worden. En onderzoekers kijken naar alles wat we niet weten.

Ruim een eeuw geleden, was de natuurkunde af. Dat was in ieder geval de consensus, dat was wat de meeste natuurkundigen geloofden. Er moesten nog wel een hoop dingen gemeten worden, maar hoe die dingen gemeten moesten worden, was al duidelijk. Toen kwam de Duitse Max Planck langs en zei slimme dingen. Veel gedoe en opeens wisten we niets meer. Zo dachten we dat we vast zaten en alles wisten wat er te weten viel, en zo wisten we dat we absoluut niets begrepen.

Nu, honderd jaar later, weten we nog steeds niet goed wat zwaartekracht is, laat staan waar het vandaan komt. Voor alle scholieren die hun Engels nog even bij willen schaven én net zo opgewonden raken van de hoeveelheid dingen die we niet weten, het volgende filmpje.

Via de PhD Comics.