Zware kost – Pagina 11 – Scheikundejongens

Assepoester en de vloeibare kristallen

De wereld van de vloeibare kristallen stond kort geleden even op zijn kop. De “Assepoester van de vloeibare kristallen” was eindelijk, veertig jaar nadat deze theoretisch was voorspeld, onomstotelijk experimenteel gevonden. Voordat ik ga uitleggen wat er nu precies is gevonden, zal ik eerst vertellen wat een vloeibaar kristal eigenlijk is.

Veel stoffen komen voor in drie fasen: als vaste stof, vloeistof en gas. Van de vaste stoffen hebben er veel een kristalstructuur, de atomen, moleculen of ionen zijn in alle richtingen netjes gerangschikt. Je kunt ook zeggen dat er in een kristal orde is in alle drie de dimensies.

Ga je een kristal verwarmen zodat het smelt, dan verdwijnt die orde tegelijk in alle drie de dimensies, zo zou je denken. Bij de meeste stoffen in ons dagelijks leven is dit ook zo, maar dat is alleen maar zo omdat de atomen/moleculen/ionen waaruit die stof bestaat, ongeveer bolvormig (of erg flexibel) zijn.

Wanneer de moleculen niet ongeveer bolvormig zijn, gebeurt het soms dat de wanorde niet tegelijk in alle richtingen toeslaat. Je krijgt dan iets dat tussen een kristal en een vloeistof in zit, vandaar de naam vloeibaar kristal. Voor staafvormige deeltjes krijg je bijvoorbeeld een vloeibaar kristal waarin alle staafjes dezelfde kant op wijzen, terwijl ze wel vrij alle kanten op kunnen bewegen, zoals in het plaatje hiernaast. Dit heet met een duur woord een nematische fase.

Vloeibare kristallen kun je niet alleen krijgen met niet-bolvormige moleculen, maar ook met colloïden. Colloïden zijn deeltjes tussen de 1 nm en 1 µm. Ze kunnen van allerlei materialen (zoals plastic en silica) en in allerlei vormen worden gemaakt. Wanneer je staafvormige colloïden in een oplosmiddel stopt, kun je net als bij de staafvormige moleculen een nematische fase krijgen. Dit gebeurt puur doordat de afmetingen van de deeltjes in één richting (de lengte) duidelijk anders zijn dan in de andere twee richtingen.

Maar wat gebeurt er als we colloïden maken waarvan de afmetingen in alle drie de dimensies anders zijn? Dit is bijvoorbeeld het geval voor plaatvormige deeltjes met lengte L, breedte B en dikte D die alledrie van elkaar verschillen, zoals in de afbeelding hiernaast. Uit theoretische voorspellingen is gebleken dat wanneer de verhouding van lengte en breedte ongeveer gelijk is aan de verhouding van breedte en dikte $\left(\frac{L}{B}\simeq \frac{B}{D}\right)$ er een zogeheten biaxiale nematische fase zou moeten vormen.

Met een biaxiale nematische fase wordt bedoeld dat deeltjes oplijnen langs twee assen (bi-axiaal). De deeltjes wijzen dus niet alleen dezelfde kant op, ze staan ook nog eens met dezelfde kant naar elkaar toe, zoals in onderstaand plaatje is geschetst.

Het spannende is nu dat dit type vloeibaar kristal al veertig jaar geleden was voorspeld. Tot nu was echter nog nooit onomstotelijk experimenteel bewezen dat het ook écht bestond. Promovenda Esther van den Pol aan de Universiteit Utrecht is er in geslaagd om deze fase aan te tonen. Dit is gedaan met plaatvormige goethiet (α-FeOOH) colloïden met afmetingen van 254 x 83 x 28 nm, oftewel L/B = 3,1 en B/D = 3,0. Zoals je ziet zijn L/B en B/D inderdaad ongeveer gelijk aan elkaar, zoals de theorie voorspelde.

Kernfusie en het stoppen met verouderen

Vanmiddag zag ik een TED talk door de fysicus Steven Cowle. Hij pleit voor het versnellen van het onderzoek naar kernfusie. Omdat de energiebronnen die we nu gebruiken over een tijdje op zijn, moeten we gaan inzetten op zonne-energie (waaronder ook windenergie en waterkracht vallen), kernsplitsing en kernfusie. In deze TED talk legt hij simpel uit hoe en waarom.

Vorige week zag ik een TED talk door gerontoloog Aubrey de Grey. Een fantastisch praatje omdat alles in je schreeuwt dat hij niet gelijk heeft, maar je kan niet zeggen waarom. Hij zegt waarom hij ongelijk zou kúnnen hebben, maar geeft direct tegenargumenten. Waarover hij praat? Mensen moeten stoppen met ouder worden. Hij vertelt gelukkig ook wanneer we dat moeten doen.

Een magnetron en de lichtsnelheid

Het meten van de lichtsnelheid klinkt misschien als een lastige klus, maar wist je dat je dit met wat huis, tuin en vooral keuken apparatuur gewoon thuis kunt doen? Een magnetron verwarmt namelijk voedsel met microgolven, een vorm van elektromagnetische straling — net als licht. Deze microgolven hebben, net als geluidsgolven en licht, een bepaalde golflengte (λ), frequentie (f) en snelheid (v). Microgolven bewegen zich voort met de lichtsnelheid c (ongeveer 3·10⁸ m/s).

In de magnetron vormen deze microgolven een staande golf. Dit houdt in dat de amplitude van de golf op sommige plaatsen altijd nul is, zoals te zien is in onderstaand plaatje. Die plaatsen noemen we knopen. Op deze plaatsen warmt de magnetron je voedsel dus niet op. Omdat het nogal vervelend zou zijn als je pannenkoek op één plek nog koud was, terwijl die op een ander plek al was aangebrand, heeft de fabrikant zo’n mooie ronddraaiende schijf in de magnetron gebouwd waar je je shizzle op kunt zetten. Op die manier wordt je pannenkoek overal mooi warm.

Wat je op bovenstaand plaatje ook kunt zien, is dat de afstand tussen twee knopen (d) gelijk is aan de helft van de golflengte. Omdat voor alle soorten golven geldt dat hun snelheid het product is van hun golflengte en frequentie, v = λf, zou je dus de snelheid van de microgolven in de magnetron kunnen bepalen als je de golflengte zou weten; de frequentie kun je vinden op de achterkant van de magnetron. Mocht je de frequentie van jouw magnetron niet kunnen vinden, dan is 2,45 GHz een goede schatting.

En nu komt de grote truc: verwijder de draaischijf uit de magnetron en zet iets in de magnetron dat gemakkelijk smelt en een groot oppervlak heeft. Goede suggesties zijn grote plakken kaas (eventueel gecombineerd met een pannenkoek), boterhammen met een flinke laag boter, een plak chocolade of een bord hagelslag. Zet de magnetron aan totdat je lokaal smeltplekken ziet. De afstand tussen de smeltplekken is gelijk aan de halve golflengte en daarmee kun je de lichtsnelheid uitrekenen: v = λ·f = 2d·f.

Zie ook dit filmpje van YouTube, waarbij opgemerkt moet worden dat boterhammen smeren en filmpjes monteren een hele kunst is.

Tot slot wil ik, om te voorkomen dat ik gelyncht word door de imaginaire natuurkundekerels, nog vermelden dat bovenstaande berekening eigenlijk totale onzin is. De lichtsnelheid is namelijk een afgesproken constante, die exact gelijk is aan c = 299 792 458 m/s. Uit de lichtsnelheid wordt de meter weer bepaald, dus in feite ben je niet de lichtsnelheid aan het meten, maar je liniaal aan het ijken.

Fun With Entropy: Thermodynamics of Hell

Gevonden in een verre zijstraat van het Internet. Een verhaal van een professor thermodynamica die een cynische vraag stelde in een tentamen.

Fun With Entropy: Thermodynamics of Hell

A thermodynamics professor had written a take home exam for his graduate students. It had one question: Is hell exothermic (giving off heat) or endothermic (taking in or absorbing heat)? Support your answer with a proof.
Most of the students wrote proofs of their beliefs using Boyle’s Law or some variant. One student, however, wrote the following:

First, we postulate that if souls exist, then they must have some mass. If they do, then a mole of souls can also have a mass. So, at what rate are souls moving into hell and at what rate are souls leaving? I think that we can safely assume that once a soul gets to hell, it will not leave. Therefore, no souls are leaving. As for souls entering hell, let’s look at the different religions that exist in the world today. Some of these religions state that if you are not a member of their religion, you will go to hell. Since there are more than one of these religions and people do not belong to more than one religion, we can project that all people and all souls go to hell. With birth and death rates as they are, we can expect the number of souls in hell to increase exponentially. Now, we look at the rate of change in volume in hell. Boyle’s Law states that in order for the temperature and pressure in hell to stay the same, the ratio of the mass of souls and volume needs to stay constant.

A1: So, if hell is expanding at a slower rate than the rate at which souls enter hell, then the temperature and pressure in hell will increase until all hell breaks loose.
A2: Of course, if hell is expanding at a rate faster than the increase of souls in hell, then the temperature and pressure will drop until hell freezes over.

So which is it? If we accept the postulate given to me by Therese Banyan during Freshman year, that “it will be a cold night in hell before I sleep with you” and take into account the fact that I still have not succeeded in having sexual relations with her, then A2 cannot be true, and hell is exothermic.

The student got the only A.

Gemalen fietswrakken deel 2

Al lijkt het wel alsof we een goed verhaal hebben en de discussie goed bijbenen, stiekem lopen we een beetje achter. De twee afbeeldingen zijn krantenknipsels (Volkskrant, 19 en 20 oktober 2009, resp.). Helemaal onderaan lees je het officiële persbericht (16 okt. 2009) van de Nederlandse Voedsels en Waren Autoriteit (VWA). Misschien wel een dooddoener voor de discussie

Dingen die we (en ik hoop ook jullie) geleerd (zouden moeten) hebben na alle (koffietafel) discussies: Niet alles wat fijn en zwart is, is ijzerpoeder; niet alles wat aangetrokken wordt door een magneet, is metallisch ijzer; de resolutie van een filmpje op uitzendinggemist.nl is niet voldoende om de grootte van deeltjes te schatten; niet alle onderzoekers kunnen goed omgaan met onverwachte bezoeken; niet alle telefonistes zijn gekwalificeerd chemici en herkennen chemisch fout taalgebruik; presentatoren van populair-wetenschappelijke programma’s zijn niet altijd chemisch en/of academisch geschoold; een wetenschappelijke discussie voer je door te verwijzen naar meer dan één enkele wetenschappelijke (!) bron.

Verrijking met ijzer van ontbijtgranen toegestaan

16 oktober 2009 – nieuwsbericht

Het toevoegen van ijzer aan ontbijtgranen is tot een wettelijk vastgestelde limiet toegestaan. Het nuttigen van producten verrijkt met ijzer binnen deze limiet vormt geen risico voor de gezondheid. De Voedsel en Waren Autoriteit (VWA) heeft geen reden aan te nemen dat de producten van de firma Kellogg’s op de Nederlandse markt deze limiet overschrijden.

Het ijzer dat gebruikt wordt als toevoeging in levensmiddelen is ijzerpoeder geschikt voor menselijke consumptie.

De uitzending van het televisieprogramma Keuringsdienst van Waarde over dit onderwerp wekt de suggestie dat ontbijtgranen met toegevoegd ijzer in Denemarken verboden zijn. Dit is onjuist. Ook in Denemarken is het toegestaan ijzer aan ontbijtgranen toe te voegen, mits er toestemming van de autoriteiten is verkregen.

De Europese Unie staat het toevoegen van ijzer aan levensmiddelen toe. Omdat de eetpatronen van de bevolking in de lidstaten onderling verschillen, bepalen lidstaten zelf aan de hand van de totale inname van ijzer welke limiet zij hanteren. De Nederlandse limiet is mede gebaseerd op de Nederlandse voedselconsumptiepeiling.

IJzer is een belangrijke stof voor een goede gezondheid. De indruk die het tv-programma wekt dat het om gemalen spijkers of ijzervijlsel zou gaan is flauwekul.