Naast scheikunde, zijn wij, de Scheikundejongens, ook erg geïnteresseerd in andere vakgebieden. Om te beginnen is het de mens die het verschil tussen schei-, natuur- en wiskunde heeft bedacht. Er is natuurlijk maar één natuur, waarin wij deelgebieden hebben gemaakt om een beetje overzicht te houden. Daarnaast kun je met bepaalde dingen uit het ene deelgebied ook hele gave dingen doen in een ander deelgebied. Ik werk nu in een laboratorium waarin natuurkundigen met DNA onderzoek doen naar zelf-assemblage. Heel veel meer overlap dan dit, vind je niet.
Maar goed, omdat we dus van andere vakgebieden houden, schrijven we ook wel eens graag over onderwerpen die maar in de verte te maken hebben met scheikunde. Ik schreef al eerder over prof. Erik Verlinde en zwaartekracht.
Waar ik jullie vanochtend op wil wijzen, is een verzameling Nederlandstalige presentaties van Studium Generale op de website van de TU/Delft. Zoals je in bovenstaande afbeelding misschien wel kunt zien, zit er een presentatie tussen van prof. Verlinde over zijn nieuwe theorie over zwaartekracht. Vooral voor middelbare scholieren die zich afvragen hoe het is om een hoorcollege te krijgen: dit lijkt er verdacht veel op (al is de stof wel luchtig). De meeste lezingen door Studium Generale zijn voor een algemeen publiek, al willen de sprekers nog wel eens wat dieper op de stof in gaan. Voor een lezing van anderhalf uur is dat misschien wat pittig, maar zo op Internet kun je het je nog eens gemakkelijk maken en wat terug luisteren.
De volgende lezingen op de site van de TU/Delft wil ik jullie zeker aanraden:
In 1791 ontdekte Luigi Galvani dat een poot van een kikker samentrok als hij er een elektrische stroom door liet lopen. Dat gebeurde zelfs nog als de kikker dood was, of als de rest van de kikker er niet meer aan vast zat. Het samentrekken van spieren onder invloed van elektrische stroom heet — ter ere van Luigi Galvani — in de biologie galvanisme.
Op YouTube kwam ik het volgende filmpje tegen. Hierin wordt dit experiment op een iets andere wijze uitgevoerd, namelijk door de kikkerpoten te bestrooien met keukenzout (NaCl). Let op: misschien niet zo geschikt voor mensen met een zwakke maag1.
De reden dat de spieren ook samentrekken onder invloed van keukenzout is mij niet geheel duidelijk, maar het heeft denk ik iets te maken met natriumkanalen in zenuwcellen. Signalen door zenuwen worden namelijk doorgegeven door wisselingen in zoutconcentraties. Helaas zijn mijn celbiologie-/ biochemieboek en ik inmiddels zo’n 106 m van elkaar verwijderd, dus daar kan ik het niet in opzoeken. Hopelijk is er onder onze lezers een slimme celbioloog, biochemicus of ander persoon die ons de precieze werking van dit mooie eenvoudige experiment kan uitleggen. Laat dan alsjeblieft een reactie achter.
1 Kots je je toetsenbord toch onder, dan mag je hem zelf weer schoonmaken. Tip van Scheikundejongens: demiwater. Werkt ook bij koffie over je toetsenbord.
Om duidelijk te maken waarom een vakgebied belangrijk is, is het behulpzaam om een “Het Belangrijkste Onopgeloste Probleem” en een “Het Belangrijkste Opgeloste Probleem” te hebben. Die problemen zouden voor iedereen te begrijpen moeten zijn. Ik denk dat het Belangrijkste Onopgeloste in de natuurkunde The Big Bang is (wat gebeurde er de eerste seconde in het heelal?); het Belangrijkste Opgeloste in de biologie is The Origin of Species (hoe differentiëren soorten zich?) en de wiskundigen hebben de priemgetallen.
Het ultieme toonbeeld van de chemie van tegenwoordig is het periodiek systeem der elementen. Je zou kunnen zeggen dat dit het Belangrijkste Opgeloste probleem is. Iedere rechtgeaarde chemicus voelt zich min of meer aangetrokken tot de elementen en het is het ultieme overzicht van de chemie. Maar dat is maar lastig te begrijpen voor niet-chemici. De man op de straat heeft natuurlijk helemaal niks te maken met zuivere elementen. Hoe vaak worden de begrippen ‘lucht’ en ‘zuurstof’ wel niet door elkaar gehaald? En wie weet nou de voordelen van van een periodiek systeem in deze vorm op te noemen, boven andere soorten systemen?
Stanley Miller in 1953, werkt hier aan het Urey--Miller experiment.
Een van de beroemdere pogingen om te begrijpen waar het ontstaan van het leven om draait, is het Urey–Miller experiment. Daarin is gekeken of de bouwstenen die nodig zijn voor leven, spontaan kunnen ontstaan bij bepaalde omstandigheden (zoals luchtvochtigheid, zuurgraad, etc.). Urey en Miller verwarmden water, methaan, ammonia en waterstofgas in een gesloten systeem, leidden dat door een buizensysteempje, lieten bliksem (stroomschokjes) door het gasmengsel en lieten dat weer neerslaan. Na een week werd de “oersoep” bekeken en er werden onder andere aminozuren, suikers, bouwstenen voor nucleïnezuren (DNA en RNA) en glycerine gevonden. Een her-analyse van hun bevindingen in 2008 toonde aan dat ze 22 verschillende aminozuren hebben geproduceerd. Met een vrij simpele scheikundige opstelling zijn de bouwstenen voor leven gemaakt.
Terug naar de Ultieme Vragen. Wat de precieze omstandigheden waren, toen leven ontstond, is natuurlijk praktisch niet te achterhalen. Maar wat wel te achterhalen is, zijn alle mechanismen die nodig zijn om leven te maken. Om aminozuren en suikers te maken uit water, methaan en ammonia (etc.) is nogal wat organische chemie nodig. Om van vetzuren mooie cellen te maken, is veel fysische chemie nodig (zelf-assemblage). En om te begrijpen hoe zoveel elektriciteit zoveel reacties kan laten verlopen, is anorganische chemie nodig. De rol voor biochemici is natuurlijk duidelijk (bijv. hoe vormden de eerste enzymen?). Het onderzoek naar alles wat om dit vraagstuk heen zit, is natuurlijk veel interessanter dan het uiteindelijke antwoord. De reis is belangrijker dan de spreekwoordelijke bestemming.
Natuurlijk zijn er ook nadelen aan dit verhaal. Veel mensen zullen natuurlijk denken dat dit een biologisch probleem is. Ik denk dat de basale vragen in dit Probleem bijna allemaal chemisch van aard zijn. Op het moment dat er cellen gevormd zijn, is er namelijk leven, en dan begint de evolutie. Dat is dan wel weer harde biologie: het ontwikkelen van soorten. Maar totdat de kleinste eenheid van leven (de cel) er niet is, is er geen biologie.
Een ander groot nadeel aan deze promotie heeft ook te maken met de biologie. Niet alle godsdiensten zijn zo gecharmeerd van de evolutietheorie. Zo hoeft — als Het Ontstaan van Het Leven aangenomen wordt als toonbeeld van de chemie — geen steun van een aantal godsdiensten te verwachten. Natuurlijk is het een discussie op zich waard, of kerk en wetenschap zo goed samen gaan, maar misschien kan ik het daar beter een andere keer over hebben.
Ik ben ervan overtuigd dat Het Ontstaan van Het Leven een goed verhaal is, vergelijkbaar met de oerknal en de evolutietheorie. Helaas is de relevantie niet zo duidelijk als in onderzoek naar medicijnen, en blijft Het Ontstaan van Het Leven voor een lange tijd een Onopgelost Probleem, maar in ieder geval is het veel beter te begrijpen het periodiek systeem der elementen.
De Scheikundejongens zijn een grote fan van de Periodic Table of Videos (PToV) en hun filmpjes komen dan ook vaak langs in onze blogposts. Van PToV bestaat ook een natuurkundig equivalent genaamd Sixty Symbols, gemaakt door dezelfde persoon, Brady Haran. Inmiddels is Haran nog een YouTube-kanaal begonnen: Backstage Science.
Bij Backstage Science krijgt de kijker, zoals de naam al doet vermoeden, een kijkje achter de schermen bij wetenschap. In tegenstelling tot PToV en Sixty Symbols, krijgt de kijker bij Backstage Science te zien wat een wetenschapper nu eigenlijk doet. Zo wordt er een bezoek gebracht aan een deeltjesversneller, aan een lab dat een ruimtecamera voor een telescoop maakt en bij een wetenschapper die in een kelder zoekt naar oude meetgegevens over de ionosfeer van de aarde, om de invloed van de zon op de aarde beter te begrijpen. Bekijk hieronder laatstgenoemde filmpje.
Naast de vele filmpjes zijn er op de site van Backstage Science ook fragmenten met extra scènes en interviews met wetenschappers te vinden. Neem dus snel een kijkje.
Afgelopen zaterdag, 26 maart, is Harry Coover op 94-jarige leeftijd overleden. Ik had nog nooit van de beste man gehoord, maar hij blijkt een belangrijke ontdekking op zijn naam te hebben staan: superlijm. Coover studeerde en promoveerde aan de Cornell Universiteit (VS) en werkte veertig jaar lang voor Kodak: van 1944 tot 1973 als chemicus en van 1973 tot 1984 als vicepresident van het bedrijf. Na zijn pensioen bleef hij nog bij Kodak betrokken als adviseur en in 2009 kreeg hij deNational Medal of Technology and Innovation uitgereikt door president Obama. Na zijn lange carrière had hij welgeteld 460 patenten op zijn naam staan. Één daarvan kennen we allemaal: superlijm. Maar wat is superlijm eigenlijk en hoe werkt het?
Superlijm en varianten zoals secondelijm bestaan uit een verzameling organische stoffen die onder de cyanoacrylaten vallen. Een cyanoacrylaat is een ester van cyanoacrylzuur en een alcohol zoals methanol of ethanol. Verder bevat een cyanoacrylaat nog twee kenmerkende groepen: een dubbele binding tussen twee koolstofatomen (C=C) en een cyano-groep (-C≡N).
De originele superlijm bestaat uit methylcyanoacrylaat (in de figuur hieronder, voor de pijl). De eigenschappen van de lijm zijn te beïnvloeden door de methylgroep (-CH3) te vervangen door iets anders. Voor bijvoorbeeld medische toepassingen wordt butyl– of octylcyanoacrylaat gebruikt. Laatstgenoemde is wat minder sterk, maar tegelijk ook wat flexibeler.
Maar hoe plakt superlijm dan? Methylcyanoacrylaat is een vloeistof, maar als het in contact komt met een beetje vocht (uit de lucht, of van de oppervlakken die je wilt lijmen), gaat het polymeriseren. Daardoor ontstaan hele lange ketens van wat heet poly(methylcyanoacrylaat) (zie figuur hierboven, na de pijl). Hierdoor wordt de lijm hard. De twee oppervlakken die je wilde lijmen, worden nu bij elkaar gehouden door de vanderwaalskrachten tussen het oppervlak en de lijm. Dat werkt vooral goed als de oppervlakken een klein beetje ruw zijn. Aangezien de lijm in het begin een vloeistof was, worden alle kleine oneffenheden in het oppervlak goed opgevuld. Daardoor is er veel contact-oppervlak en dus veel vanderwaalsattractie.
De polymerisatie van superlijm verloopt razendsnel, veelal binnen 10 seconden. Dat is natuurlijk heel handig, maar wel een reden om te zorgen dat je het niet op je vingers krijgt. Je vingers zijn tenslotte ook vochtig, dus die plak je met superlijm binnen enkele seconden aan elkaar.
Coover is helaas niet rijk geworden van zijn uitvinding. Toen superlijm populair werd, was het patent alweer verlopen en mochten ook andere fabrikanten cyanoacrylaten gebruiken als lijm. Meer over de ontdekking van superlijm zie je in de video hieronder, gemaakt door de United States Patent and Trademark Office vanwege het winnen van de eerder genoemde National Medal.
