Superkoel water!

Deze eerste ‘doe het jezelf’ zal niet zo heel ingewikkeld zijn. Ik moest wel heel erg lachen toen ik de uitvoering zag. Nooit aan gedacht.

Wat gaan we doen? IJs maken. Eigenlijk onderkoeld water laten uitkristalliseren. Natuurlijk leggen we uit wanneer een kristal ontstaat en wanneer niet.

Koop een flesje water. Leg dat in de diepvries en wacht totdat het ijskoud is. Let op: laat het flesje stil liggen! Het water zal niet uitkristalliseren tot ijs en ‘onderkoeld’ raken. Je begrijpt dat dit een ‘metastabiele’ fase is: een keer hard schudden en er zal een kristal ontstaan, maar zolang je niks doet, zal er niks gebeuren.

Leg in een schaaltje water (het liefst iets waar een halve liter in past) een ijsblokje klaar. Als het flesje vloeibaar (!) water koud genoeg is, haal je het uit de vriezer, open je het voorzichtig en schenk je het over langzaam over het ijsblokje heen.

Je zal zien dat, op het moment dat het vloeibare water het ijs raakt, het water uit zal kristalliseren. Je groeit nu een standbeeldje van ijs. Niet heel speciaal, maar wel lachen. Op school krijg je te horen dat chemische reacties een bepaalde tijd nodig hebben en dat faseovergangen (in dit geval van vloeistof naar vast) ‘instantaan’ zijn. Ik kon me daar niet veel bij voorstellen. Dit is de manier om te zien hoe snel die faseovergang gaat.

Natuurlijk is er op de JijBuis genoeg te vinden over dit effect. Mensen die flessen onderkoeld water schudden, en mensen die een ‘beeldje’ groeien.

In deze eerste video is te zien dat ijs niet zomaar groeit. In principe gaat het volgende over alle soorten van kristallisatie.

Bij het groeien van kristallen (ijs, nanomaterialen, colloïden, enzovoorts) zijn er twee soorten interacties belangrijk: de energie van het bulkmateriaal en de energie van het oppervlak. Je kan je voorstellen dat moleculen (maar ook atomen in een metaal) graag middenin een kristal zitten, omdat ze dan omgeven worden door soortgenoten. Alle moleculen zitten op dezelfde manier netjes geordend en dat scheelt enorm in energie. Moleculen die aan de rand van de bulk zitten, zitten net ietsjes anders. Ze worden verschoven, hebben niet aan alle kanten buren en zijn erg ongelukkig. Dit verlies in energie per oppervlakte heet oppervlaktespanning. Weinig oppervlakte geeft weinig energieverlies. Een kristal zou dus het liefst zo min mogelijk oppervlak willen hebben in verhouding tot (zoveel mogelijk) bulk.

Nu gaan we dit toepassen op water (vloeibaar) en ijs (vast, kristallijn). De watermoleculen in water zijn erg blij: ze hebben weinig oppervlakte (weinig energieverlies) en veel bulk (ze zijn allemaal hetzelfde). We weten allemaal dat water stabiel is tussen 0 en 100 graden Celcius en ijs onder de 0 graden. Maar wat nu als we water koelen tot onder de nul graden? Blijkbaar gaat het niet altijd zomaar over in ijs bij 0 graden. Alleen als we energie toevoegen door schudden.

De clue zit hem in de oppervlaktespannig. Stel je 2 watermoleculen voor: als die dicht tegen elkaar aan zitten (in een ‘kristal’) hebben die enorm veel oppervlakte en heel weinig bulk. Als je 10 watermoleculen netjes orden, zie je dat nu al niet alle moleculen meer aan het oppervlak van het kristal zitten: nog veel oppervlak, maar al een paar in de bulk. Neem nu 500 watermoleculen. Er ontstaat steeds meer bulk in verhouding tot oppervlakte.

Het verlies in energie door de oppervlaktespanning moet overwonnen worden door het verdienen van energie door de bulk. Deze energie kan door schudden vrij komen (als jij schudt, verricht je arbeid) en dat is net genoeg om ergens een klein kristalletje te laten ontstaan. Verderop in de video zie je dat een klein ‘entkristal’ ook al genoeg kan zijn. Alle andere onderkoelde watermoleculen willen naar de ijsfase en kunnen dat lekker doen aan het entkristal. Ze zorgen ervoor dat het ijskristal minder oppervlakte krijgt en meer bulk.

Als entkristal kun je natuurlijk ook een compleet ijsklontje gebruiken. Als je een vuil flesje of een plastic bakje met krasjes gebruikt om water in te bevriezen, zal er altijd wel een plaats zijn waar het water tegen de zijkant kan kristalliseren. Gebruik daarom altijd enorm schone flesjes en zuiver water. Ik heb nog niet geprobeerd of je dit met een nieuw flesje en zeep voor elkaar kan krijgen maar ik schat de kans klein in.

Ik heb ook nog even gezocht naar een mooie video waarin iemand een ijsbeeldje maakt. Verwacht er niet teveel van maar probeer vooral zelf iets moois te kleien. Wees alleen niet zo’n klungel als die jongen in het filmpje en leg het ijsblokje niet op de bolle kant maar op de vlakke.

Have fun,

Aldo

Heisenberg en Bohr

Tot 30 mei dit jaar speelt het Nationaal Theater de voorstelling ‘Kopenhagen‘. Ik ben met een vriend naar de voorstelling in de Stadsschouwburg in Utrecht en het was fantastisch. Drama, woordgrappen en wetenschap.

Het verhaal gaat dat de beroemde fysici Niels Bohr (Bram van der Vlugt) en Werner Heisenberg (Stefan de Walle) elkaar voor het laatst in Kopenhagen spraken, vlak nadat Duitsland in de Tweede Wereldoorlog Denemarken over heeft genomen. Heisenberg blijkt betrokken te zijn bij de ontwikkeling van een atoombom voor de Duitsers.

Niels Bohr (1885-1962) was een Deense atoomfysicus. Hij is vooral bekend om zijn bijdrage aan de kwantum mechanica en zijn kijk op het atoom. Wie kent niet het naïeve plaatje waarin een kern van een atoom wordt afgebeeld met wat elektronen eromheen die cirkelbanen afleggen. Samen met Heisenberg formuleerde hij de Kopenhaagse interpretatie van het atoom, dat zegt dat  de waarnemer van een experiment samen met het experiment een enkel systeem vormt, in plaats van dat de waarnemer buiten het systeem zou staan. Er wordt gezegd dat Bohr een bijdrage heeft geleverd aan het Manhattan Project (de ontwikkeling van een atoombom voor de Amerikanen dat plaats vond in een kantorencomplex in Manhattan, New York).

Niels, Margareta en Werner

Werner Heisenberg (1901-1976) was een Duitse theoretisch fysicus die zich vooral liet leiden door de taal van de wiskunde. Als hij een probleem tegen kwam liet hij eerst de complete wiskunde erop los. Ook een manier natuurlijk. We kennen Heisenberg vooral van het onzekerheidsprincipe. Dat zegt dat bepaalde zaken (zoals plaats en snelheid) nooit exact te meten zijn op hetzelfde moment. Deze onzekerheidsrelatie gaat ook op voor energie en tijd. De ‘meetfout’ die gemaakt wordt is altijd minstens een half h-streep (~5.03*10^(-35) Js). Dat is niet groot (daarom merken we hier nooit wat van in het echte leven), maar groot genoeg om te kunnen meten.

Heisenberg had een reden om zichzelf uit te nodigen bij Bohr. Ze zijn ooit met ruzie uit elkaar gegaan, maar waarom? Met drie stoelen als decor en Bohr’s vrouw Margrethe (Liz Snoijink) als waarnemer spelen deze mannen elkaar uit door verwarrende argumenten, vergeten ruzies en de kwantum mechanica als bindmiddel. Voor iedereen in dit vakgebied een must see, voor geïnteresseerden een kijkje in de keuken van de wetenschap.

Ik heb genoten met teugen en raad iedereen deze voorstelling aan. Ga hem zien zolang hij nog draait!

Nano is het nieuwe micro!

Nanomaterialen. Iedereen heeft het erover. Een korte introductie voor de leek:
1 m = 100 cm
1 m = 1.000 mm
1 m = 1.000.000 μm (spreek uit: micrometer)
1 m = 1.000.000.000 nm (een miljard nanometer)

Nanomaterialen zijn dus álle dingen tussen de 1 nm en de 1 μm. Microvezels, microchips en microbloggen is uit. Aanschouw de iPod Nano, Nano texteditor en de Tata Nano! Dat is natuurlijk een grapje. Maar wat is dan wél nano?

De Amerikaanse Chemical Society schreef een wedstrijd uit om in maximaal drie minuten uit te leggen wat nanotechnologie is. Ryan Miyakawa en Patrick Bennett (Universiteit van Californië, Berkeley) zonden deze video in:


The Nano Song from nanomonster on Vimeo.

Dat alles op die grootte nanomaterialen zijn is nu wel duidelijk. Maar waarvoor wordt het nu gebruikt? Op het moment voor niet zo heel veel dingen. Het mooie aan die materialen is dat niet de stof (goud, koolstof, sicilaat) de eigenschappen bepaald, maar de grootte. Toepassingen nu: katalyse, zonnecellen, processoren in je computer, iPod, mobiele telefoon, enz. Er wordt veel onderzoek gedaan naar waaróm de grootte nu zo belangrijk is, want nano is hot. Nano is het nieuwe micro.

Liefs,

Aldo

Freddy, bedankt voor de tip

Elektronen, zilver en leugens

Halverwege de middelbare school zag ik voor het eerst een plaatje van een atoom. Een zwarte stip met een roodachtige gloed. De stip heet kern en de gloed elektronenwolk. Daar begonnen de leugens.

Ik vind dat je best tegen mensen mag liegen. Om bestwil. En dat hoeft niet altijd een klein leugentje te zijn, dat mag ook best een enorm leugen zijn. Als het leven van die mensen daar gemakkelijker, fijner en beter op wordt in ieder geval. Ik leerde op de middelbare school vooral halve waarheden en leugens. ‘Meten is weten’, ‘om een kern zitten een bepaald aantal elektronen’ en meer van dat soort waardevolle onnozelheden. Het maakte mijn leven duidelijk en zo stiefelde ik op m’n examen af in de volle veronderstelling dat ik ergens wat van wist.

Elektronen zitten niet om kernen heen. Maar hoe dat wel zit, verklap ik niet. Dat begrijpt geen mens. Zover ik weet is er nog nooit iemand geweest die de diepere betekenis van de quantum mechanica heeft begrepen. Behalve dr. Manhattan dan. Maar hij zegt dat je van lood geen goud kan maken en dat is een leugen.

‘De unieke formule [van Nivea for men silver protect] bevat actieve zilvermoleculen (…)’ is het walgelijkste leugen dat ik de afgelopen tijd tegen ben gekomen. Zilver is een metaal en vormt dus een kristalrooster en geen moleculen. Dat leerde ik al vroeg op de middelbare school. De suggestieve plaatjes van deze moleculen in de Niveareclame hebben niks met de werkelijkheid te maken en het doet pijn in mijn chemisch hart. Waarom dat pijn doen? Dat kan ik niet uitleggen. Vertel tegen je banketbakker dat zijn cakejes gemaakt zijn van kots, vertel een bouwvakker dat gewapend beton een waardeloos materiaal is of een meisje dat ze dik is. Pijn in hun hart. Of het nu waar is of niet.

Liefs,

Aldo