Categorie: Zware kost

CHAINS 2011: Hét nationale scheikundecongres in het jaar van de chemie

Op 28, 29 en 30 november zal CHAINS 2011 plaatsvinden: hét nationale scheikundecongres in LeFabrique, Maarsen. In aanloop naar het congres zal ik wekelijks op de site van CHAINS bloggen over de achtergrond van het congres. Hieronder staat deel 1 van de serie blogs. Registreren kan hier en het programma download je hier (PDF). De originele blog vind je hier.

Iedere geletterde Nederlander is in staat om het grootste gedeelte van de wetenschappelijke concepten binnen een uur te begrijpen. Een uur uitleg moet genoeg zijn om met onverdeelde aandacht bijna ieder onderzoek uit te kunnen leggen. Met die overtuiging versla ik dit jaar CHAINS 2011. Mijn naam is Aldo Brinkman en ik ben beter bekend van de Nederlandstalige weblog www.scheikundejongens.nl. Sinds een paar jaar schrijf ik samen met een vriend van me elke week een aantal stukjes over de dingen die ons opvallen aan wetenschap, de samenleving en scheikunde in het speciaal. Met kritisch optimisme zal ik 28, 29 en 30 november verslag doen.

CHAINS 2011 is hét Nederlandse congres voor de wetenschappelijke scheikundigen. Omdat honderd jaar gelden Marie Curie de Nobelprijs voor de scheikunde kreeg, vieren wij dit jaar het Internationale Jaar van de Chemie. Een reden voor de organisatie van CHAINS 2011 om groots uit te pakken. Anderhalf duizend wetenschappers zullen zich drie dagen lang in DeFabrique in Maarsen verzamelen om te praten over de huidige stand van de Nederlandse wetenschap. Acht keynote speakers waaronder een Nobel-laureaat, zes parallelle spreeksessies, twee postersessies, drie KNAW Van’t Hoff lezingen, een Marie Curie lezing en de uitreiking van de KNAW Gouden Medaille.

Een meer-dan-ambitieus bijproject is CHAINSreaction: vier vraagstukken die schreeuwen om een oplossing zullen beantwoord worden op het congres. Welke slimme materialen zijn de toekomst; hoe maken we een levende (synthetische) cel; hebben we een BioBased Economy (gebaseerd op niet-fossiele brandstoffen) nodig om de toekomst te overleven; en een nog nader te bepalen vraagstuk. Deze uitdagingen komen uit De Nederlandse Wetenschapsagenda, een uitgave van de Koninklijke Nederlandse Akademie van Wetenschappen (KNAW). De oplossing van déze vragen leiden direct tot een betere, schonere en gezondere samenleving. Ondanks dat het vooral wetenschappers zijn in Nederland die over deze vragen nadenken, verbetert het ook de rest van de wereld.

Maar terug naar de nuchtere belevingswereld: hoe gaat dat aangepakt worden? Kennis en begrip zijn de eerste stappen naar die utopische betere wereld. Diezelfde stappen zullen gezet worden tijdens CHAINS 2011. Daar zullen wetenschappers samenkomen om elkaar te vertellen waar ze mee bezig zijn, en daar zal ík aanwezig zijn om dat te verslaan. Als nieuweling in de wondere wereld van de wetenschap en als groentje in de wereld van de wetenschapsjournalistiek. Hier, op deze weblog op de site van CHAINS 2011 zal ik mijn ervaringen opschrijven en — belangrijker nog — zal ik ook mijn eigen gedachtes over het congres opschrijven.

Nobelprijs van de scheikunde naar quasi-kristallen

“Willen jullie bij ons komen uitleggen, waar de Nobelprijs voor de scheikunde dit jaar naartoe gaat?” Die vraag stelde De Wereld Draait Door ons. Maar het moest wel een interessant onderwerp zijn. En Robbert Dijkgraaf had al ja gezegd. Maar ja, wiskundemeisje Ionica had ons al gewaarschuwd: DWDD zegt nog wel eens af. Neemt niet weg dat wij een heleboel nieuws hebben geleerd over quasi-kristallen.

Update: Ons avontuur bij DWDD ging vanavond niet door, maar we werden wél geïnterviewd door Radio 1. Luister het gesprek hier terug.

Dit jaar gaat de Nobelprijs voor de scheikunde dus naar Daniel Shechtman, voor zijn ontdekking van quasi-kristallen.

Om uit te leggen wat quasi-kristallen zijn, zal ik eerst uitleggen wat gewone kristallen zijn. Volgens de oude definitie, is een kristal een materiaal met een repeterende basiseenheid. Stel je een eenvoudige tegelwand voor met witte tegels. Omdat de tegels zo netjes tegen elkaar aan zitten, herken je al snel een structuur met 2 soorten symmetrie. De eerste is ‘translatie-symmetrie’: als je een tegel denkbeeldig zou verschuiven, komt hij over een andere tegel heen te liggen. De andere symmetrie heet ‘rotatie-symmetrie.’ Omdat de tegels vierkant zijn, zou je een tegel denkbeeldig 90º kunnen draaien, zo dat hij weer precies over een andere tegel heen zou passen. En nog eens 90º, en nog eens. Zou je voor een vierde keer draaien, 360º dus, dan kom je weer op de originele plek uit. Badkamertegeltjes mogen alleen 1/4 deel (90º) gedraaid worden, maar in het algemeen mogen kristallijne structuren alleen 1/2 deel, 1/3 deel, 1/4 deel of 1/6 deel gedraaid worden. De rest is “verboden.”

Een andere speciale eigenschap van een kristal heeft te maken met verstrooiing van straling. Zou je straling op een monster stralen — niet zichtbaar licht, maar röntgenstraling — dan verstrooit die straling in een typisch spikkelpatroon. Aan de hand van dat spikkelpatroon zou je iets kunnen zeggen over de kristalstructuur van het monster. Hier rechts is zo’n verstrooiingspatroon te zien. Als je goed kijkt, zie je dat als je dit patroon 1/6 (360º/6 = 60º) deel zou draaien, dat je dan op hetzelfde patroon uitkomt. Dat betekent dat het kristal dat dit verstrooiingspatroon oplevert, óók steeds 1/6 deel gedraaid kan worden. Denk terug aan het tegelpatroon in het voorbeeld hierboven, dat steeds 1/4 deel gedraaid kon worden.

Nu hebben we de oude theorie van kristallografie op twee manieren beschreven: op een grote schaal (röntgenverstrooiingspatronen) en op de kleine, atomaire schaal (repeterende eenheden die kunnen transleren en roteren). En nu komt de clou van de Nobelprijs van dit jaar: professor Dan Shechtman heeft een materiaal ontdekt dat wél een verstrooiingspatroon heeft, maar géén translationele symmetrie heeft. Eigenlijk geen kristal dus, volgens de oude theorie. Sterker nog, de verstrooiingsstructuur die prof. Shechtman heeft gemeten, had een rotatie-symmetrie van 1/5 deel. En dat is verboden!

Helaas stuitte professor Shechtman op veel verzet. Heel veel verzet. Hij werd bespot en werd gedwongen om zijn baan op te zeggen. Zelfs een andere Nobelprijswinnaar, Linus Pauling, weigerde zijn werk te geloven. Shechtman ging weg bij zijn onderzoeksgroep en jaren later vond hij andere wetenschappers die samen met hem het experiment wilden controleren. Samen met hen publiceerden ze het onderzoek in 1984 en langzaam maar zeker veranderen andere wetenschappers hun mening. Op de lange termijn kreeg Shechtman het respect dat hij verdiende, weer terug. Maar tot die tijd had hij het volgens mij niet gemakkelijk. Ook wetenschappers zijn mensen en ook zij wijken niet graag af van wat ze vroeger geleerd hebben. Maar, zoals professor Shechtman het zelf zegt: “als je een wetenschapper bent, en je gelooft je eigen resultaat, vecht er dan voor. Vecht voor de waarheid. Luister naar anderen, maar vecht voor waar je in gelooft.”

Hoe die ontdekking van Shechtman nou precies in z’n werk ging, vertelt hij in dit uitstekende interview.

Meer info over de Nobelprijs voor de scheikunde van dit jaar vind je hier:

Twee TED-praatjes over energiegebruik

Veel mensen hebben het altijd maar over “energieverbruik” alsof het weggegooid wordt, maar dat is onzin. Het moet natuurlijk zijn “energiegebruik” omdat we die energie omzetten in (onder andere) nuttige processen. Nu zie ik mezelf niet als enorm geitenwollesokkentype, maar ik ben het er wel mee eens dat we nu wel erg veel energie verbruiken. Mijn standpunt blijft dat we óf meer en efficiënter energie moeten opwekken óf we moeten minder gaan gebruiken. Met “óf” bedoel ik de wiskundige “of” die “en/of” betekent.

Het eerste TED-praatje gaat over wat er zal gebeuren als we dat niet doen. David Keith is een klimaatwetenschapper en afgezien van dat ik het niet altijd met zijn strategieën eens ben, is hij wel heel eerlijk (“…this hasn’t been peer reviewed yet…”) en creatief.

Het tweede praatje, door Juan Enriquez, gaat over wat nou ‘bio-energie’ is. Bio-energie is geen ethanol, het is niet de opwarming van de aarde, maar het is olie, aardgas of steenkool. Ik geef toe dat deze meneer een stuk monotoner is en soms (eigenlijk de hele tijd) wel erg kort door de bocht gaat, maar hij heeft zeker wel interessante standpunten. Al ben ik het niet eens met zijn opmerking “We moeten fossiele brandstoffen gaan zien als biologische energie, in plaats van chemische energie of engineering-energie” omdat ik niet zulke dingen ken als biologische energie of engineering-energie. Natuurlijk is deze meneer een hele cynische en zijn manier van denken is sterk commercieel en biologisch, maar toch is het interessant om eens naar zijn standpunt te luisteren.

Ken je glaswerk: de Soxhlet

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.

Het mechanisme van een Soxhlet © Wikimedia Commons

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.

 

Bereken en voorspel het jaar 2050

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:

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?