Maar waaróm nou? – Pagina 7 – Scheikundejongens

Ook NOS snapt nano niet

De mooie beloftes die de ‘nanotechnoloog’ ons maakt, verblindt de journalist. Mooie woorden, ongekende fantasieën en gigantische getallen, ze worden allemaal klakkeloos overgenomen. Zelfs het acht uur journaal van de NOS weet science niet meer van fiction te onderscheiden. En ik maar denken dat dit zo’n betrouwbaar programma was. Ze kramen maar wat uit.

Ja lieve redactie van de NOS: jullie verstaan jullie vak niet! Jullie wetenschapsredactie moet terug naar de middelbare school!

Laten we eerst de uitzending van maandagavond bekijken (25 oktober 2010, 20.00h) en dan lopen we even rustig alle domme dingen langs. Het item loopt van 11min27s tot 14min22s.

Glas dat je kunt vouwen, wijn die je van smaak kunt laten veranderen. Dat klinkt als science fiction, maar binnenkort is het realiteit. Het zijn voorbeelden van zogeheten nanotechnologie.

Laten we inderdaad science (wetenschap) niet verwarren met fictie. Dit zijn geen typische voorbeelden van nanotechnologie. Wijn van smaak laten veranderen lijkt me overigens niet uitzonderlijk moeilijk. Iets met azijn?

Ontwikkelingen waarin alleen al dit jaar wereldwijd 1500 miljard euro (€ 1.500.000.000.000) in om gaat.

Dit is natuurlijk onzin, omdat dit neer zou komen op €221 per hoofd van de wereldbevolking. Een serieuzere bron (Industry Week) vertelt het volgende: “By 2009 the nanotechnology market reached an estimated $11.7 billion in sales.” Dat was in 2009 ongeveer tussen de €8–9 miljard euro. Dit is een mis-schatting met een factor 170. Per hoofd van de wereldbevolking is dat in plaats van €221, maar €1. We hebben het hier dus niet over 6 keer de begroting van de Nederlandse regering, maar over een paar honderdste daarvan. Waar heeft de NOS dit enorm grote getal vandaan?

Met nanotechnologie maak je producten op een heel andere manier dan normaal, namelijk met atomen en moleculen. Twee van de kleinste deeltjes die er bestaan. Door die deeltjes aan te passen, zijn we in staat om de eigenschappen van vrijwel alle producten te veranderen.

De redactie die dit item in elkaar gedraaid heeft, is nog voor Daltons atoomtheorie naar school geweest, dus wij zullen zo vrij zijn om nog eens goed uit te leggen waar de wereld uit bestaat.

Alle materie bestaat uit atomen. We kennen nu iets meer dan 100 soorten en die soorten noemen we “elementen.” Deze elementen staan gerangschikt in het periodiek systeem der elementen. Uit atomen kunnen we grofweg drie soorten materialen maken: metalen, zouten en moleculen. Voorbeelden van metalen zijn ijzer, zink en wolfraam; voorbeelden van zouten zijn keukenzout (natriumchloride), roest (ijzeroxide) en kalk (o.a. calciumoxide en calciumcarbonaat); voorbeelden van moleculen zijn aceton (nagellakremover), water (zitten een beetje zouten in) en zuurstof (en veel andere dingen in de lucht, zoals stikstof en koolstofdioxide). Maar kom, laten we niet al te lang stil staan bij deze basale kennis.

Men maakt altijd materialen van atomen en soms met moleculen. Verschrikkelijk onhandige woordkeuze.

Voor de compleetheid zal ik nog mijn favoriete definitie geven van “nanotechnologie”: de studie naar alle materialen waarbij de eigenschappen typisch afhangen van de grootte van het materiaal, en niet zozeer de chemische samenstelling zelf. Dit komt neer op groottes rond de 1–100 nm. Houd in gedachten dat een watermolecuul ongeveer een tiende nanometer groot is. Losjes wordt wel eens opgemerkt dat veel kleine eiwitten en veel grote moleculen deze grootte hebben. Maar let op, de meest interessante nanomaterialen vallen meer onder de categorieën zouten en metalen, niet moleculen.

Atomen aanpassen is overigens iets voor hogere-energiefysici; moleculen aanpassen is klassieke organische chemie.

Nanotechnologie is buitengewoon ingewikkeld, maar wat het ons gaat brengen is onvoorstelbaar.

Afgezien van dat ‘maar’ hier geen tegenstelling aanduidt, is nanotechnologie absoluut niet buitengewoon ingewikkeld in vergelijking met andere actieve velden in de wetenschap. Experimenten naar stromingen, het weer voorspellen en kwantumtheorie zijn wél extreem complex. Voor sommigen is een informatief en genuanceerd nieuwsbericht maken ook ingewikkeld, maar nanotechnologie staat in de wetenschap niet te boek als “buitengewoon ingewikkeld.”

In het filmpje wordt nu uitgelegd dat er naar aanleiding van een kunstinitiatief, een tentoonstelling wordt gehouden over “speculatieve producten.” Hier heb ik niks op aan te merken. Speculatie inderdaad.

Het gebruik van nanotechnologie in producten groeit enorm snel.

Nu wordt er verteld hoeveel geld er uitgegeven wordt aan dergelijke producten. Wel wordt nu netjes onder het vloerkleed geveegd dat er belachelijk veel meer producten zijn die claimen nanotechnologie te gebruiken, dan dat er producten zijn die dat daadwerkelijk doen. Industry Week is het nog steeds niet eens met de NOS: in 2015 wordt geen €2500 miljard uitgegeven aan producten, maar €26 miljard. Honderd keer zo weinig.

Is het [nanotechnologie, red.] leuk, of gevaarlijk?

Welke prutjournalist heeft deze open deur gedirigeerd? Dit zijn toch geen vragen, dit is retoriek. Vraag anders direct even of er ook wel eens ongelukken mee gebeuren, er mogelijkheden zijn in de strijd tegen kanker en of er misschien wel geld mee te verdienen is. Heeft hij echt een speciale studie gevolgd om op dit soort inkoppertjes te komen? En hij is ook nog door de sollicitatieronde gekomen, voordat hij het veld in mocht van de NOS?

Hulde trouwens aan Koert van Mensvoort. Het zilvervoorbeeld legt perfect uit waar de kansen en problemen liggen. Geen foutieve simplificaties nodig, geen ingewikkelde voorkennis, gewoon een beeldend en juist voorbeeld. Het antwoord “We spelen we een beetje met vuur” is wel wat ongelukkig gekozen. Misschien is het handiger om het te vergelijken met autorijden: gevaarlijk, maar noodzakelijk.

Lieve mensen van de NOS, het acht uur journaal was voor mij dé autoriteit op het gebied van nieuws. Als jullie iets zeiden, was het waar. Maar nu ik weet wat voor onzin jullie uitkramen over nanotechnologie, weet ik niet meer of ik jullie wel kan vertrouwen op andere gebieden. Lieve redactie, ik vertrouw op jullie. Want als ik jullie niet meer kan vertrouwen, wie dan nog wel?

Elementaire ringen

Al eerder schreef ik over Etsy en de zelfgemaakte sieraden die je daar kan kopen. Ik denk dat ik daar een meisje wel mee kan plezieren. Maar mijn volgende ontdekking is meer iets voor de heren die houden van een mooie zegelring.

itsno.name verkoopt een aantal sieraden, waaronder zegelringen en hangertjes, met daarop drie elementen afgebeeld. Zilver, goud en platina. Wil je een zegelring kopen, dan moet je diep in de buidel tasten, maar een rechtgeaarde scheikundige heeft dat er natuurlijk wel voor over. De zilveren ring kost $295, de 14k gouden $2.100 en de platina ring kost $6.000. Maar geen geklier, ik vind ze prachtig.

Een aantal leuke weetjes over de metalen waarvan de ringen gemaakt zijn. Want je vraagt je natuurlijk direct af waarom de ringen zo enorm veel in prijs verschillen. Een gram zilver kost op dit moment € 0,43, goud € 27,50 en platina € 41,85. Wat ik ook wel interessant vind zijn de smeltpunten (961, 1.064 en 1.768 ºC resp.) en de dichtheden (10, 19 en 21 g/cm³).

Wat is er nou zo interessant aan deze metalen? Het zijn geleiders, goud en platina zijn veel gebruikte katalysatoren, gaan niet snel stuk en de vraag is hoog. Marktwerking. Teleurstellend? Bekijk dan nog even de hangertjes die dezelfde winkel niet verkoopt.

Data via Wolfram|Alpha

Het ranken van een wetenschapper

Al eerder heb ik verteld hoe wetenschap werkt: iemand verzint een experiment, voert dat uit en schrijft de resultaten op in een artikel. Het wordt gekeurd en gewogen, en als niet te licht bevonden bevonden wordt, wordt het artikel gepubliceerd in een tijdschrift. Dat artikel wordt door anderen gelezen en er wordt naar gerefereerd als het interessant is, zodat anderen de feiten kunnen controleren. Dit is de meest gangbare manier waarop kennis stroomt.

Nu is er zoiets als goeie en slechte wetenschap. De experimenten kunnen ongeschikt zijn om een hypothese te ontkrachten, resultaten kunnen onbruikbaar zijn of de conclusies die getrokken worden fout. Het is niet eenvoudig om slechte wetenschap van matige te onderscheiden; en matige van goede wetenschap.

Maar wanneer is iemand een goede wetenschapper? Ik vind dat als iemand, in z’n eentje, één enorme ontdekking in zijn leven doet (hèt geneesmiddel tegen het AIDS-virus), dat hij een fantastische wetenschapper is. Hij heeft de mensheid geholpen door zijn intelligentie te gebruiken om het leven van anderen te vergemakkelijken en hij was zo goed om zijn kennis te delen. Hij schreef een artikel over zijn onderzoek, publiceerde dat in een tijdschrift en andere wetenschappers verwijzen nog vaak naar zijn enige, doch fantastische werk.

Een tweede wetenschapper doet al decennia onderzoek naar het de verbetering van dataopslag. Hij werkt samen met veel andere onderzoekers en geleidelijk aan doen ze veel ontdekkingen. Elke ontdekking wordt netjes opgeschreven en gepubliceerd. Het onderzoeksgebied waar onze dataopslag-onderzoeker in werkt is eigenlijk maar klein: er werken niet veel mensen in dit gebied, laat staan dat er veel over geschreven wordt. Vorderingen zijn klein maar belangrijk.

Hoe goed zijn onze twee wetenschappers? De een heeft weinig (eenmaal) gepubliceerd, maar wordt veel geciteerd; de ander publiceert veel, maar wordt weinig geciteerd. Er zijn veel maten om wetenschappers mee te meten, maar productiviteit (het aantal publicaties van een wetenschapper) en impact (aantal citaties naar die wetenschapper) worden tegenwoordig het belangrijkst gevonden. Hoe goed hij is als docent, hoe netjes hij is in een lab of hoe goed hij om kan gaan met andere wetenschappers wordt buiten beschouwing gelaten.

De Amerikaanse wetenschapper Jorge E. Hirsch bedacht in 2005 een index om wetenschappers te ranken. Hij is wat ingewikkeld, dus houd je vast:

Een wetenschapper heeft een index als h van zijn/haar N_a artikelen ten minste h maal geciteerd worden, en de andere (N_a – h) artikelen minder dan h maal geciteerd worden.

In andere woorden, een wetenschapper met een Hirsch index van h, heeft blijkbaar h artikelen gepubliceerd die ten minste h keer zijn geciteerd. Hij kan dus best meer dan h artikelen gepubliceerd hebben, maar die zijn niet vaak genoeg geciteerd om mee te tellen.

Onze dataopslag-wetenschapper heeft een aantal keer gepubliceerd. Toen hij nog jong en onbezonnen was, heeft hij aan drie artikelen meegewerkt: de eerste is éénmaal geciteerd, de tweede twee keer en de derde vijf keer. Hij had toen een Hirsch index van twee. Tegenwoordig heeft hij een lange lijst met publicaties op zijn naam en een respectabele Hirsch index van dertig. Onze AIDS-wetenschapper heeft maar eenmaal gepubliceerd en dus een Hirsch index van één.

De moraal is duidelijk. Er is een duidelijke manier om wetenschappers te ranken. Je ziet ook direct waar dat fout gaat. Er zijn ook uitbreidingen op de manier van Jorge Hirsch, maar ook hele andere methodes. Allemaal rammelen ze een beetje en allemaal vergeten ze belangrijke zaken. Maar goed, getallen aan fenomenen plakken is altijd lastig en je kan er altijd over discussiëren. Wetenschap.

Wiki’s voor chemici

Op de middelbare school heerste de doctrine dat de dingen die je op Internet leest, niet te vertrouwen zijn. Als ik nu naar een getal zoek, check ik Wolfram|Alpha en anders biedt Wikipedia uitkomst.

Wikipedia is ooit (januari 2001) begonnen als opvolger van een andere online encyclopedie, waar niet zomaar iedereen artikelen kon aanpassen. Een wiki is een website waarbij iedereen pagina’s (artikelen) kan aanmaken met een specifieke inhoud. Het mooie aan een wiki is dat iedereen ze ook kan aanpassen en naar elkaar kan laten verwijzen. Wikipedia is verreweg de bekendste wiki.

Maar hoe goed is een wiki, en Wikipedia in het speciaal? Die vraag heerst natuurlijk al langer en zal ook altijd moeten blijven. Wikipedia is ooit begonnen uit frustratie. Dat vind ik mooi, dingen die beginnen uit frustratie omdat wat nu bestaat, niet goed genoeg is. Er was behoefte aan een plaats waar objectieve informatie gemakkelijk uitgelegd stond. Wat bedoeld werd, is dat als een chemicus wil opzoeken wat ook alweer de tweede wet van de thermodynamica is, dat in chemische taal wordt uitgelegd. Of als een geoloog niet meer weet hoe het verschil tussen de geografische en geomagnetische pool heet, is dat daar te vinden. Objectieve informatie. Iets met definities en waarden.

Definities en waarden zijn, binnen het dogma van onze natuurwetenschap, objectief, want ze zijn gestandaardiseerd. Er is al genoeg onderzoek gedaan naar de betrouwbaarheid van dit soort informatie. Voorheen was de standaard van vertrouwen de Encyclopædia Britannica, al schijnt dat door diezelfde encyclopedie tegen te worden gesproken. Hoe dan ook, er staan ongeveer evenveel fouten in en misschien is dat aanvaardbaar. Pas op, ik heb het over de Engelse Wikipedia.

Maar nu het interessante: de spin-offs voor scheikundigen. De twee grootste die ik ken zijn Chempedia en de ChemWiki. Rara, politiepet.

ChemWiki is een initiatief van een professor van de universiteit van Californië. De website is een wiki, dus iedereen kan bijdragen. Alle onderwerpen zijn netjes gerangschikt naar module: analytische, anorganische, biologische, organische, theoretische en fysische chemie. Er is zelfs een hoofdstuk over veel gebruikte wiskundige methodes voor scheikundigen. De website is nog lang niet af, maar de opzet is er al en enorm uitgebreid. De site is niet alleen voor scheikundestudenten, maar er zijn ook secties voor middelbare scholieren en mensen met een basale kennis van chemie. Een goed alternatief voor Wikipedia, jammer dat hij minder uitgebreid is.

Nu komt er wat raars. Chempedia. Ik weet niet wat ik hiermee aan moet. Het idee is weer dat iedereen zich kan aanmelden, maar de inhoud is anders. Deze website streeft ernaar alle chemische structuren die bekend zijn, te verzamelen… Denk hier eventjes rustig over na.

Goed, dat is veel werk, maar je moet ergens beginnen. De mensen achter Chempedia zijn ook al lekker op weg om een heleboel (organische) structuren te verzamelen. Nu dacht ik dat er ook een heleboel informatie beschikbaar zou zijn over de betreffende stof, maar die kan ik dus niet vinden. Het peer-review systeem (het beoordelen van kennis door je ‘gelijken’) is ook duidelijk, maar waarom? Je krijgt een bepaalde reputatie toegewezen waarbij je punten krijgt voor gewenst gedrag en punten aftrek voor ongewenst gedrag. +15 voor het volledig invullen van je profiel, +5 voor het insturen van een structuur, +5 voor als andere mensen een naam geven aan je structuur en nog wat andere puntenverdelingen voor hoe goed iemand anders jouw naamgeving vindt. Als ik het goed begrijp, worden er dus alleen maar plaatjes van structuren gekoppeld aan namen. Ik vind het ook vervelend dat een structuur soms wel 7 verschillende namen heeft, maar wat is hier nou de lol aan? Want, wat betekent nou een naam? Zou een roos nog steeds als een roos ruiken, als we hem geen roos meer zouden noemen?

Wat ik wil zeggen, is dat dat niet iedere wiki goed werkt. De Engelse Wikipedia over natuurwetenschappelijke onderwerpen vind ik erg goed. De onderwerpen die lastiger objectief te vatten zijn, zijn minder betrouwbaar. De Nederlandse Wikipedia is vaak niet te vertrouwen. Supersorry. Ik heb hoge verwachtingen van ChemWiki. De opzet is goed, maar hij is nog niet af. Chempedia? Ik denk het niet. Geen nut, geen zin, geen hit.

Wat is chemie?

Als iemand me zou vragen ‘Wat is chemie?’ dan zou ik iets moeten antwoorden als ‘de leer van het herschikken van atomen’.

Ik heb al eens eerder wat verteld over theoretische chemie. Die hoek — en dan vooral de kwantumchemie — van de chemie gaat dieper dan diep in, op de oorsprong van reacties. En wat is een reactie ook alweer? Het herschikken van atomen. Het breken en maken van bindingen.

Maar wat is een binding eigenlijk? Een molecuul bestaat uit atomen. Een atoom bestaat uit een kern en daar omheen elektronen. Voor het gemak kunnen we een atoom tekenen als de 2D Bohr representatie, maar die is wat lomp. Ook kunnen we een molecuul tekenen als 2D of 3D staafjes en bolletjes, maar ook die heeft wat rare implicaties. Wat er wel aan klopt is de gemiddelde locatie van de atoomkernen. En het streepje voor de binding? Sja… Er is een ‘binding’, maar een theoretisch chemicus wordt altijd wat ongemakkelijk van gewoon een streepje.

Koolstof-6 volgens het Bohr model — Koolstof-6 (deels) volgens het Bohr model. De protonen en neutronen in een nucleus met daaromheen banen van elektronen.

Een van de grootste gewaarwordingen uit de kwantumtheorie is dat deeltjes ook beschreven kunnen worden als golven. Je kan met de wetten van Newton de baan van een vallende knikker berekenen, dat wil zeggen, je voorspelt met behulp van wiskunde de locatie en snelheid van de knikker. Maar wat nu als die knikker geen voorwerp is, maar een golf? Als je genoeg natuurkunde en wiskunde hebt gevolgd, weet je dat golffuncties formules zijn met sinussen, cosinussen en exponenten. Het rekenen met die dingen vind ook ik altijd wat lastig, maar de dingen die je ermee kan zijn wel enorm gaaf.

Goed. De kwantumtheorie vertelt ons dat een elektron niet alleen een deeltje is, maar ook ook als golf beschreven kan worden. Als je dit lastig vindt om je voor te stellen, ga nu dan even rustig zitten. De kwantumtheorie vertelt ons ook dat we nooit zeker kunnen weten waar een elektron precies is. Of, ik moet eigenlijk zeggen, we kunnen nooit de snelheid van een elektron bepalen op een bepaalde plaats. Dus als je zegt dat een elektron ergens is, betekent dat eigenlijk helemaal niet zoveel. Maar, waar komen dan die bindingslijntjes vandaan? We kunnen toch zeggen: “Kijk, dáár is mijn elektron”?

Helaas, dat kunnen we niet. We kunnen hoogstens zeggen: “Ik weet dat het grootste gedeelte van de tijd dat het elektron dáár is”. Dat ‘daar’ is een groter gebied dan dat dunne lijntje dat je tekent.

Een theoretisch chemicus (ofwel, een kwantumchemicus) berekent waar elektronen zijn en waar ze mee bezig zijn. Hij/Zij weet dat je een elektron beter kan beschrijven als een golf. De wetten van Newton werken slecht voor voorwerpen met een kleine massa en een hoge snelheid. Als de kwantumchemicus dan ook in gedachten houdt dat een reactie (spontaan) kan verlopen als de (vrije) energie van een (gesloten) systeem verlaagd wordt, is hij eigenlijk al bijna klaar.

Is het antwoord op de vraag ‘Wat is chemie?’ nu volledig beantwoord? Ik denk het wel. Sterker nog, veel te nauwkeurig. Door de eeuwen heen hebben chemici een enorme set aan (empirische) vuistregels en minder exacte theorieën opgezet. En dat is prima, want waarom zou je willen berekenen waar de elektronen blijven, als je de baan van een vallende knikker wil berekenen?

Film van Molecular Modeling Basics