Beton is voor de meeste mensen niet iets waar ze bij stilstaan. Toch is dit bouwmateriaal het geheim achter spectaculaire bouwwerken zoals wolkenkrabbers. Maak kennis met vijf opmerkelijke vormen van beton.
Waterdoorlaatbaar beton.
Voor wegen is gladheid een enorm probleem. Wie wel eens een tropische moesson heeft meegemaakt, weet dat wegen volstrekt onbegaanbaar worden als de weg verandert in een rivier. De oplossing: bouw de weg van doorlaatbaar beton. het water verdwijnt dan in een mum van tijd in de grond onder de weg. Dit maakt wegen ook een goede bron van water. Sommige doorlaatbare betonsoorten kunnen wel 1000 mm water per minuut verwerken.
Pervious Concrete at UNH Stormwater Center
Zonnebeton.
In Nederland zijn zonnepanelen ontwikkeld, waar je over heen kan fietsen. Wegen nemen enorm veel ruimte in beslag, rond de 1/40, dus 2,5% van de oppervlakte van Nederland. Op dit moment wordt de zonne-energie die op deze wegen valt, niet benut. Als dit wegen van zonnepanelen zouden worden, zou dit Nederland voor een deel zelfvoorzienend maken qua energie.
Netherlands rolls out 'solar road'
id="attachment_30936" align="alignright" width="300"] Pas in de eenentwintigste eeuw is het onderzoekers gelukt de geheimen van Romeins beton te ontsluieren. Bron: Berkeley University[/caption]
Lichtdoorlatend beton.
Betonnen muren zijn vaak somber, omdat ze geen licht doorlaten. Met ingebedde glasvezels en andere technieken kan je daar wat aan doen. Zou met iLight, lichtdoorlatend beton dat is ontwikkeld door een Italiaans bedrijf, een einde kunnen komen aan donkere, onverlichte betonnen tunnels?
Transparent concrete panels from Italy
Zelfhelend beton.
Wat als gebouwen kleine scheurtjes zelf zouden kunnen repareren? Met zelfhelend beton kan dat. Door de scheur barsten er capsules open met een voedingsoplossing. In de beton ingebedde bacteriën worden uit hun winterslaap gewekt en zetten deze om in nieuw gesteente, waardoor de lege ruimte van de scheur weer wordt opgevuld. Zo wordt het beton weer een geheel. Een echt levend gesteente dus. In de natuur komt op enkele plaatsen ook levend gesteente voor: stromatolieten, die bestaan uit een kolonie bacteriën. Deze worden tot de oudste vormen van leven gerekend. Er zijn op Mars ook structuren aangetroffen die op fossiele stromatolieten lijken.
Romeins, zoutresistent beton.
De oude Romeinen kregen iets voor elkaar wat bouwkundigen tot voor kort niet lukte: een betonsoort ontwikkelen die blootstelling aan zeewater overleeft. Naar hen is dit Romeins beton genoemd. Zeewater mengen met cement leidt tot smurrie. De ionen in zeewater belemmeren de vorming van beton. Romeins beton weerstaat het zeewater al 2000 jaar. Het geheim: de toevoeging van vulkanisch zand, puzzolaan. De productie van Romeins beton gebruikte ook veel minder energie dan het beton van nu. Het goede nieuws: pozzolaan is een vulkanisch gesteente dat erg veel voorkomt op aarde. Er bestaan complete bergen van.
In een opmerkelijke ontdekking slaagde een groep onderzoekers er in om de lichtkleur die chlorofyl absorbeert, uit te breiden tot golflengtes die nog buiten bereik lagen. Zelfs nabij-infrarood licht kan nu door fotosynthese gebruikt worden. Kan hiermee de effectiviteit van fotosynthese, en dus de landbouwproductie, verdubbeld worden?
Het zonnespectrum. Planten gebruiken hier ongeveer de helft van. Bron: Wikimedia Commons
Meer dan de helft van het zonlicht voor planten nutteloos Alle leven op aarde, enkele spaarzame wormen rond hete diepzeebronnen en rotsbacteriën uitgezonderd, hangt af van fotosynthese, het proces in planten dat zonlicht, water en kooldioxide omzet in glucose (het beginpunt van alle organische stoffen) en zuurstof. De aarde is bedekt met een groene deken plantengroei, de zee met algen en cyanobacteriën. De fotosynthese zoals deze in planten plaatsvindt, benut het grootste deel van het licht echter niet. Plantenbladeren zijn niet zwart, maar groen. Dat komt, omdat chlorofyl groen licht niet absorbeert. In feite treft dit lot meer dan de helft van alle straling in het zichtbare-licht deel van het spectrum (dat loopt van 400 nm, violet, tot 700 nanometer, rood). Doorzichtige zonnecellen die alleen groen licht absorberen, zouden in feite de plantengroei vrijwel niet hinderen. Planten proberen met behulp van carotenoïden, u weet wel, waar ons lichaam vitamine A van maakt, toch nog wat lichtenergie in dit gebied te vangen, maar ook dit lapmiddel werkt niet echt bevredigend.
Het nieuw ontwikkelde chlorofylmolecuul sluit het gat tussen ‘normaal’ chlorofyl en bacteriochlorines, die rond 800 nm maximaal absorberen. Bron: 1.
Moleculaire springveer Willen we dit verbeteren, dan moeten we aan het chlorofylmolecuul zelf knutselen. Licht is een trilling en chlorofyl komt in resonantie bij bepaalde golflengten. Bij chlorofyl a bijvoorbeeld rond 680 nanometer en chlorofyl b rond de 480 nm: niet toevallig de golflengte van geel licht en de golflengte waarop de stralingspiek van de zon ligt. Het verschil tussen chlorofyl a en chlorofyl b zijn de atoomgroepjes die aan deze moleculen hangen. Hoe logger deze zijn, hoe lager de de resonantiefrequentie van het chlorofylmolecuul en daarmee: hoe langer de golflengte van licht dat wordt geabsorbeerd.
De onderzoekers bereikten zelfs een ongelofelijke 900 nanometer warmtestralingsabsorptie. Bron: 2.
Dit is precies wat de onderzoeksgroep heeft gedaan. Door middel van uitgekiende toevoegingen van atoomgroepen aan het chlorofylmolecuul, slaagden ze erin de kloof te dichten tussen diverse groepen bacteriochlorines en ook het golflengtebereik ver uit te breiden, tot zelfs in het infrarood. Je leest het goed: door deze ontdekking kan zelfs kortgolvige warmtestraling voor fotosynthese worden gebruikt. Dit is straling die veel door een rode dwergster wordt afgegeven. Wanneer we interstellaire ruimtevaart ontwikkeld hebben en we op bezoek kunnen bij de nabije rode dwergsterren, bijvoorbeeld deze dwergster met planeten, dan hebben we voor de kolonisten nu in ieder geval alvast een bruikbaar chlorofylpigment voor hun gewassen ontwikkeld. Omdat het hier om bacterieel chlorofyl gaat, is toepassing in planten niet vanzelfsprekend, maar ook hier geldt dat het de gewasopbrengst sterk zou kunnen vergroten, zeker door de benutting van nabij-infrarood straling.
Bronnen
Kaitlyn M. Faries et al., Photophysical Properties and Electronic Structure of Chlorin-Imides: Bridging the Gap between Chlorins and Bacteriochlorins. The Journal of Physical Chemistry B, 2015; 150114100627003 DOI: 10.1021/jp511257w
Pothiappan Vairaprakash et al., Extending the Short and Long Wavelength Limits of Bacteriochlorin Near-Infrared Absorption via Dioxo- and Bisimide-Functionalization. The Journal of Physical Chemistry B, 2015; 119 (12): 4382 DOI: 10.1021/jp512818g
Onderzoekers van het Howard Hughes Medical Institute, onderdeel van de Amerikaanse staatsuniversiteit University of Illinois at Urbana-Champaign, hebben een complex apparaat ontwikkeld waarmee moleculen in standaardstappen zijn te bereiden. Dit vereenvoudigt het experimenteren met nieuwe potentieel geneeskrachtige stoffen drastisch.
Tot voor kort was het een lastige klus om specifieke, iets ingewikkelder, chemische verbindingen te maken. De reden waarom bijvoorbeeld genetisch gemodificeerde bacteriën een belangrijke rol in de fijnchemie spelen. Grote moleculen, zoals lange eiwitketens, kunnen gemaakt worden door bouwstenen stap voor stap toe te voegen. Bij kleinere moleculen is dit vaak lastig. De traditionele methode is nogal ambachtelijk: een synthesepad bedenken en dan zuiveringsmethoden ontwikkelen, zodat je met de nodige moeite een zuiver eindproduct in handen krijgt. Dit verklaart mede waarom de ontwikkeling van nieuwe medicijnen een moeizaam proces is. Zelfs schaarse topchemici met jarenlange ervaring hebben er de handen vol aan om deze moleculen te bereiden.
De molecuulprinter is in dit stadium een hels ingewikkeld apparaat.
Het proces is vooral interessant om kleine moleculen uit levende organismen synthetisch te kopiëren. Veel medicijnen zijn afgeleid van door planten, schimmels, bacteriën of andere levende organismen geproduceerde stoffen. Het team analyseerde duizenden van dergelijke verbindingen en ontdekte dat enkele honderden, ‘bouwstenen’ keer op keer voorkomen in deze verbindingen. Elke ‘bouwsteen’ heeft twee chemische ‘verbindingsstukken’ waar met behulp van een vrij simpele standaardreactie, deze aan de verbindingsstukken van een andere bouwsteen kan worden geplakt. Zo kunnen, stap voor stap, alle denkbare moleculen van biologische oorsprong worden gefabriceerd.
Met het systeem zijn veertien groepen stoffen gecreëerd, variërend van vrij eenvoudige, rechte moleculen tot ingewikkelder moleculen met veel zijtakken en ringen. Het systeem is nog verre van volmaakt, maar volgens de wetenschappers is nu een ‘roadmap’ opgesteld om een werkende molecuulprinter te synthetiseren. Als deze belofte werkelijkheid wordt, zou dit uitermate goed nieuws zijn: een stof waarvan de medische werkzaamheid is aangetoond, kan dan in zeer korte tijd in klinische tests worden onderzocht en in productie worden genomen. Uiteraard geldt dat ook voor andere toepassingen. In principe is de atomaire legodoos van Moeder Natuur nu veel toegankelijker geworden. Werkt het apparaat eenmaal goed, dan kan je elk denkbaar molecuul maken.
Volgens theoretische berekeningen is er een uit koolstof bestaand materiaal, carbyn, denkbaar dat zeker tweemaal zo sterk is dan zelfs de bekende koolstofnanobuisjes en grafeen. Kunnen we met dit materiaal eindelijk een ruimtelift bouwen?
Wat is carbyn?
Carbyn is de chemische naam van een ketting van koolstofatomen, die onderling met dubbele verbindingen of afgewisseld enkele en drievoudige verbindingen verbonden zijn (in feite bevindt de werkelijke toestand zich hier, onbepaald, tussenin – welkom in de wondere wereld van de kwantummechanica). Carbyn is hiermee echt een eendimensionaal materiaal. Als iemand er ooit in zal slagen om carbyn in bulk te bereiden, dan ontstaat er een materiaal dat mogelijk zelfs het sterkst denkbare materiaal ooit is. De reden: alle koolstofverbindingen lopen parallel met de trekkracht. Het materiaal kan onder spanning niet van vorm veranderen, alleen uitrekken. Hiervoor is theoretisch de maximale kracht nodig die de chemische binding tussen koolstofatomen kan leveren. Dat is dubbel zoveel als het sterkste materiaal tot nu toe bekend en zelfs drie keer zo veel als diamant.
Onverwachte eigenschappen
Het materiaal kent nog andere interessante eigenschappen. Zo veranderen de elektronische eigenschappen al als het materiaal 10% uitgetrokken wordt. Wordt de ketting 90 graden gedraaid, dan ontstaat een magnetische halfgeleider. Aan de carbynketens kunnen ook andere moleculen worden gekoppeld, waardoor het gebruikt kan worden om energie op te slaan. Carbynketens zijn stabiel bij kamertemperatuur en vormen niet snel verbindingen met andere ketens. Dit is een interessante combinatie van eigenschappen, aldus de ontdekker Boris Yacobson. Naast in kabels voor ruimteliften, kunnen de carbynketens gebruikt worden in nanomechanische systemen (als bijvoorbeeld een extreem sterk eenatomig trekkoord), in sterke lichtere materialen en voor energie-opslag. In een vliegwiel van carbyn kan drie keer zoveel energie worden opgeslagen als in een vliegwiel van diamant met dezelfde vorm.
Carbyn, een rechte keten van koolstofatomen met meerdere bindingen, is volgens een zeer nauwkeurig computermodel de sterkste vezel ooit.
Bestaat carbyn al?
Ethyn (HCCH), een driedubbele binding tussen twee koolstofatomen met aan de uiteinden elk een waterstofatoom, is al meer dan 100 jaar bekend onder de naam acetyleen en wordt bij autogeen lassen gebruikt om extreem hete vlammen mee te produceren. Het is veel lastiger om langere alkynen te produceren. Een materiaal dat op carbyn lijkt, werd voor het eerst geproduceerd in de USSR in 1960. Sindsdien hebben experimenteel chemici het materiaal in kleine hoeveelheden geproduceerd, is het aangetroffen in samengeperst grafiet en ook aangetroffen in sterrenstof. Er is dus sprake van een fysisch mogelijke en ook bestaande stof. Het enige wat ons ontbreekt is een methode om deze stof grootschalig en voordelig te produceren.
Welke methode gebruikten de onderzoekers?
Kwantummechanica wordt door veel mensen gezien als een ondoorgrondelijke theorie. Inderdaad is kwantummechanica met gezond verstand moeilijk te bevatten, maar onze theorieën zijn als rekenmodel ondertussen zo goed, dat met computermodellen een nauwkeurigheid tot op 13 decimalen kan worden bereikt. Althans: deze nauwkeurigheid geldt voor kwantumelektrodynamica (QED), de QD-variant die onder meer de volledige scheikunde beschrijft. Met andere woorden: zet je een supercomputer aan het werk die de beruchte perturbaties van QED tot het gewenste nauwkeurigheidsniveau aankan, dan kan je het gedrag van atoombindingen tot op dertien decimalen precies voorspellen. Dit is wat Yakobson en zijn mensen hebben gedaan. Omdat computers in de 21e eeuw onvergelijkbaar veel beter zijn dan die in de periode dat het meest onderzoek naar de cabine heeft plaatsgevonden, haalde het team-Yacobson enkele theoretische voorspellingen onderuit. Ze werden op het spoor gezet, omdat er in de vrije natuur sporen carbyn zijn aangetroffen, iets dat onmogelijk was volgens deze eerdere theorie.
Onverwachte nieuwe eigenschappen
Zo voorspelde eerder onderzoek dat carbyn uit elkaar zal vallen, omdat het met zichzelf zou gaan regeren. Inderdaad blijkt met het nieuwe zeer nauwkeurige model dat carbyn slechts op één plek in de keten een andere keten dicht kan raken. De stijfheid van de keten belemmert dat de ketens elkaar op twee plekken tegelijk kunnen raken en dat ze zo aan elkaar geritst worden. In feite is wat zich dan vormt een soort poreus net, met een 5 keer zo groot specifiek oppervlak als het alom bejubelde grafeen.
Onverwacht was de ontdekking dat de elektron-barrière zo gevoelig was voor draaien. Er ontstaat zo een soort mechanisch te bedienen transistor. Erg handig voor schakelingen in nanomachientjes.
Het vervolg
Het team wil meer onderzoek doen naar andere elementen. Je zou dan bijvoorbeeld kunnen denken aan verbindingen met boor, in het periodiek systeem de lichtere buurman van koolstof, of andere elementen die eendimensionale structuren kunnen vormen. Ook wil de groep de geleidbaarheid van carbyn beter onderzoeken.
Vlak bij het absolute nulpunt begint het te spoken. Bizarre chemische reacties die volgens gevestigde chermische theorieen theoretisch onmogelijk zijn, vinden plaats in de diepten van de interstellaire ruimte. Het begint tot steeds meer astrofysici door te dringen dat de ‘doodse’ ruimte rond het absolute nulpunt heel wat uitermate interessante processen herbergt.
De Perseus moleculaire wolk op ongeveer 600 lichtjaar afstand bevat een gas dat helemaal niet kan bestaan volgens gangbare chemische theorie. Bron: Universiteit van Wisconsin
Moleculen die niet kunnen bestaan
Hoe lager de temperatuur, hoe langzamer reacties verlopen. De reden is dat de bewegingssnelheid van moleculen bij lagere temperatuur afneemt, waardoor ze onvoldoende energie hebben om andere moleculen te breken -absoluut noodzakelijk om een reactie te starten-en ook, dat er veel minder botsingen plaatsvinden.
Zou deze theorie kloppen, dan zou de interstellaire ruimte alleen eenvoudige moleculen zoals waterstof of water moeten bevatten. Ondertussen weten we echter uit meer dan drie decennia radioastronomie dat er in de interstellaire ruimte enorme hoeveelheden ingewikkelde moleculen voorkomen. Denk aan allerlei aminozuren, buckyballen en dergelijke. Onmogelijk, volgens gevestigde chemische theorieen. Toch zijn de spectrografische ‘handtekeningen’ van deze moleculen, specifieke golflengtes waarop deze uitzenden en absorberen, onweerlegbaar in radiogolven aangetoond. Het laatste voorbeeld: methoxy-radicalen, H3C-O. Deze bleken voor te komen in een nevel op 600 lichtjaar afstand in het sterrenbeeld Perseus.
Kwantumtunneling
Dit zette astrochemici aan het denken. Zagen ze wellicht iets over het hoofd? Uit nieuw onderzoek blijkt nu inderdaad, dat de chemie van lage temperaturen veel interessanter is dan we hadden durven vermoeden. Pogingen om de reactie die methoxy produceert plaats te laten vinden door de uitgangsstoffen te laten condenseren op stofdeeltjes, mislukten hopeloos.
Toen ondernamen chemici een nieuwe poging, door gebruik te maken van kwantumtunneling. Een andere reactieroute maakt gebruik van een hydroxylradicaal,OH.: CH4 + OH. -> H3CO. +H2 (de punt achter OH. en H3CO. geeft aan dat het om incomplete moleculen (radicalen) gaat).
Om deze reactie plaats te laten vinden moet kwantumtunneling plaatsvinden, waardoor het methaanmolecuul en het hydroxylradicaal zich op een gegeven moment op dezelfde plaats bevinden. Inderdaad bleek zich wel methoxy te vormen als de temperatuur verlaagd werd tot 63 kelvin (-210 C). De reactie vond zelfs 50 maal sneller plaats dan bij 200 kelvin (de temperatuur hartje winter op Antarctica of in de koudepool van Siberie).
Hoe werkt kwantumtunneling?
Een ijzeren natuurkundige wet is de onzekerheidsrelatie van Heisenberg. Deze levert enkele onzekerheidsparen op, bijvoorbeeld: hoe nauwkeuriger de snelheid bekend is, hoe onnauwkeuriger de plaats bekend is. (Er zijn er meer, zoals massa en tijd bij virtuele deeltjes). Van een stilstaand deeltje is de snelheid zeer nauwkeurig bekend, die is namelijk precies nul. Dus moet de plaats zeer onnauwkeurig zijn, m.a.w. het deeltje heeft veel weg van een wazige wolk. Deze wolk kan door energiebarrieres heenlekken, ’tunnelen’. In het gevalvan de chemische reactie in dit artikel: de elektrostatische afstoting tussen moleculen.
Wat houdt zich schuil out there?
Duidelijk is in ieder geval dat ook bij cryonische temperaturen opmerkelijk interessante chemische processen voorkomen. De kans is zelfs aanwezig dat zich complexe structuren kunnen gaan vormen. Cryonisch leven lijkt vergezocht, maar is niet op voorhand uit te sluiten. Wellicht kan kwantumtunneling de functie overnemen van enzymen.
Chemie is de studie van de structuur en transformatie van materie. Aristoteles schreef in de 4e eeuw voor Christus al het een en ander over chemie, maar zijn ideeën waren behoorlijk primitief. Tegenwoordig is chemie (scheikunde) de grootste (natuur-)wetenschappelijke discipline geworden met meer dan een half miljoen publicaties per jaar. In dit filmpje een overzicht van de grootste ontdekkingen ooit binnen deze discipline.
Op de middelbare school heb je geleerd dat er drie typen atoombinding bestaan: covalente binding, ionbinding en metaalbinding. Ook kunnen atomen nog aan elkaar kleven door waterstofbruggen of zwakkere Van der Waals-krachten, de reden dat water vloeibaar is. Dit blijkt echter slechts het topje van de ijsberg van mogelijke vormen van atoombindingen, wijst nieuw onderzoek uit. In de sterke magneetvelden rond neutronensterren komt er namelijk een bizarre magneetbinding voor. Kunnen we hier met telescopen sporen van ontdekken?
Zou zich bij de pulsar in het centrum van de Krabnevel magnetische materie schuilhouden? Bron: NASA
Magnetische moleculen
De op aarde bekende vormen van atoombinding zijn elektrisch van karakter. Bij ionbindingen trekken positief en negatief geladen groepen elkaar aan. Bij covalente bindingen vormen elektronen van verschillende atomen paren om zo de elektronenschil rond het atoom op te vullen. Uit theoretisch onderzoek blijkt nu echter dat er nog een derde type atoombinding mogelijk is: een magnetische binding, die andee moleculen oplevert dan we op aarde kennen. Op aarde kunnen we de extreme magneetvelden die hiervoor nodig zijn niet opwekken, maar sporen van hun licht kunnen we wel opvangen. Hun unieke spectrale handtekening geeft zo een redelijk valide bewijs voor hun bestaan. Al eerder was bekend dat zich een zwakke magnetische band kan vormen als het molecuul parallel aan de magnetische veldlijnen staat. In een nieuwe ontdekking stelde de groep vast, dat er een nog vee; sterkere magneetbinding mogelijk is als het molecuul dwars op het magneetveld staat. het model doet slechts een zeer klein aantal aannames, dus de kans is vrij groot dat deze magnetische moleculen zich werkelijk in de magneetvelden van neutronensterren schuilhouden. Heel opmerkelijk: zelfs helium, het extreemste edelgas dat we kennen dat werkelijk met geen enkel ander atoom reageert, blijkt een sterke magnetische binding te kunnen vormen.
Tienduizenden tesla
De moleculen vormen zich alleen in omstandigheden dat de magneetvelden duizenden malen sterker zijn dan we hier op aarde kunnen bereiken. Op aarde staat het record voor een langdurig magneetveld op veertig tesla. De sterkste permanente magneten bereiken op korte afstand ongeveer 1 tesla. Rond witte dwergsterren zijn de magnetische velden vele tienduizenden tesla, rond neutronensterren zelfs miljoenen tesla. In hun berekeningen gebruikte de groep de full configuration-interaction (FCI) rekenmethode, een nogal gecompliceerde, numerieke methode om de allesbeheersende Schrödingervergelijking op te lossen. Op deze manier komen alle mogelijke bindingsmogelijkheden boven water. Ze richtten zich op waterstof om twee goede redenen. Waterstof komt zeer veel voor en het is een zeer eenvoudig atoom: protium, de vorm waarin vrijwel alle waterstof voorkomt, bestaat uit één elektron en een proton.Bij lagere temperaturen en de afwezigheid van sterke magneetvelden vormt waterstof tweeatomige moleculen: H2, waarbij de twee elektronen worden gedeeld. Rond neutronensterren is het hiervoor veel te heet. Uit de FCI analyse blijkt dat de extreem sterke magneetveklden de elektronenwolken zo vervormen dat deze magnetisch worden: paramagnetisme. Gewoonlijk is paramagnetisme zwak, maar door de extreem sterke magneetvelden wordt het effect zeer sterk. Het gevolg hiervan was dat de waterstofatomen alsnog H2 moleculen vormden, echter niet door elektronen te delen, maar door magnetische aantrekking. Dit effect treedt ook op in helium. Zowel de waterstof- als heliummoleculen vielen uit elkaar zodra het magneetveld uitgeschakeld werd.
Spectrum van magnetische moleculen
Ieder molecuul heeft bepaalde frequenties waarop het elektromagnetische straling uitzendt of opvangt. Zo zie je twee felle gele lijnen als je het licht van natriumdamp door een prisma breekt. Door de unieke eigenschappen van magnetische waterstof- en heliummoleculen bieden deze sterk afwijkende spectraallijnen. Als deze magnetische moleculen inderdaad in voldoend grote hoeveelheden voorkomen in de atmosfeer van witte dwergsterren en neutronensterren, moeten sporen daarvan zichtbaar zijn. Ook kunnen zeer kortdurende gepulste magneetvelden worden opgewekt, bijvoorbeeld door een magnetische spoel waar veel stroom doorheen loopt, op te blazen. De onderzoekers hopen dat ze op die manier toch magnetische moleculen kunnen fabriceren.
Wie wel eens in het Botlekgebied of een ander industriegebied met chemische industrie komt, ziet al van verre de monsterachtige fractioneringskolommen en reactorvaten van olieraffinaderijen en dergelijke opdoemen. Ook in de fijnchemie is een reactorvat van minstens enkele kubieke meters standaard. Daar zou wel eens totaal verandering in kunnen komen met een nieuw, microscopisch klein type reactor. Eindelijk een einde aan chemische milieurampen?
Batchproces en continuproces
Er zijn twee fundamenteel verschillende manieren om chemische reacties in een fabriek plaats te laten vinden. De eerste is een tank vol laten lopen met de uitgangsproducten en na een bepaalde tijd het reactieproduct afvoeren, een batchproces. Soep koken is een typisch voorbeeld van een batchproces. Je gooit alles in een pan en het reactieproduct is na enige tijd klaar. Gaat er wat mis, bijvoorbeeld omdat de pan aan is gebrand of omdat je teveel zout in de soep hebt gegooid, dan kan je de hele pan soep weggooien. Dit is, met het voortdurend moeten schoonmaken (bij de soepproductie ook wel bekend als “afwas”), een belangrijk nadeel van batchproductie. Ook moet je voortdurend roeren en willen ondanks alle goede zorgen nog wel eens ongerechtigheden achterblijven.
De tweede mogelijkheid is een continuproces, zoals bijvoorbeeld in een geiser, waar aardgas en zuurstof met elkaar reageren en zo waterdamp, kooldioxide en – waar het uiteraard om gaat – warmte voor het water leveren. Dit is voor soep minder praktisch omdat de hoeveelheden domweg te groot zijn.Voor massaprocessen is dit zeer interessant omdat er een continue stroom ontstaat en het proces veel scherper te controleren is.
Gaan dit soort monsterlijk grote chemische reactortanks de weg op van de dino?
Microreactor
Kortom: wat je wilt is een continuproces dat bij wijze van spreken ook druppels per seconde kan produceren. Erg belangrijk voor de kleinchemie, zoals bijvoorbeeld voor medicijnen en pigmenten. Precies dat hebben onderzoekers van de Zwitserse Ecole Polytechnique Federale de Lausanne, vakgroep Katalytische Reactieontwerp (GGRC), bereikt. In hun nieuwe ontwerp voor een reactor wordt de vloeistof in zeer kleine volumes onderverdeeld: microkanaaltjes met elk een doorsnede van enkele honderden micrometer.
Veiliger, betere kwaliteit, minder milieuvervuiling en efficiënter
Het voornaamste voordeel is de veel hogere veiligheid, aldus hoogleraar en vakgroepvoorzitter Lioubov Kiwi. De explosie of giftige werking van een vat met duizenden liters chemicaliën is uiteraard veel groter dan diezelfde chemicaliën in een haarvat. Ook kan de temperatuur – essentieel voor het regelen van thermodynamische evenwichten en hiermee dus de reactie – veel nauwkeuriger worden geregeld. Ook werkt dit nieuwe systeem continu. Aan de ene kant worden de uitgangsstoffen aangevoerd, aan de andere kant het reactieproduct afgetapt.
Kleiner en beter, dus goedkoper
Dat is nog niet alles. Ook bespaart de nieuwe reactor maar liefst twintig procent op de aanvoer van materialen (waardoor ook veel minder chemisch afval wordt geproduceerd). Ook is de nieuwe installatie tien keer zo klein als de bestaande, monsterachtige reactorvaten. Tot slot is de productkwaliteit veel beter. Volgens een insider in de medische wereld waarmee Visionair contact heeft, is de armzalige kwaliteit van de gezuiverde werkzame stof in medicijnen vaak een reden dat patiënten in de praktijk minder goed reageren op medische preparaten dan testgroepen, die met zeer zuivere, op kleine schaal ‘analytic grade’ geproduceerde werkzame stof worden behandeld. Kortom: niet alleen het milieu en de portemonnee, maar ook de gezondheid zou wel eens wel kunnen varen bij deze opmerkelijke uitvinding.
Sommige chemische reacties verlopen razendsnel vlak boven het absolute nulpunt. Kwantumeigenaardigheden kunnen verklaren, hoe er ondanks de extreem lage temperaturen in de interstellaire ruimte er toch zo ingewikkeld organische moleculen voorkomen. En mogelijk ook, waarom het leven op aarde zich pas zo laat vormde.
Het raadsel van ingewikkelde moleculen in de diepe ruimte
De ruimte is koud. Extreem koud. Ver van een ster daalt de temperatuur tot drie kelvin, dat is drie graden boven het absolute nulpunt. Dit is zo koud, dat zelfs helium vloeibaar wordt. Water en alle andere stoffen zijn bij deze temperatuur zo hard als graniet. Toch vinden er in deze extreem koude omstandigheden veel chemische reacties plaats. De stralingssignalen van moleculen als aminozuren, buckyballs en ingewikkelde koolwaterstoffen duiken keer op keer op op onverwachte plaatsen. Tijd dus om de omstandigheden van de extreem koude ruimte na te bootsen in een experiment, vond Wade Rellergert van de University of California, Los Angeles. Dit bleek een eye-opener.
In de ruimte zijn sporen ontdekt van dit soort ingewikkelde moleculen, die zich eigenlijk helemaal niet zouden moeten kunnen vormen.
Raadselachtige felle reactie
Bij zeer lage temperaturen blijkt de chemie zich totaal anders te gedragen dan bij kamertemperatuur. In theorie zou zich bij deze extreem lage temperaturen geen enkele chemische reactie moeten voordoen. Immers, gewoonlijk stoten atomen elkaar af. Om twee atomen te laten reageren, moeten ze vlak bij elkaar komen en moeten de vrije elektronen gedeeld kunnen worden. Dat kost energie en de energie vlak bij het absolute nulpunt is vrijwel nul. Toch gebeurde er iets heel vreemds. Het mengsel van calcium en ytterbium dat Rellergert onderzocht, leek het ytterbium op te slokken. Bij kamertemperatuur reageren beide atoomsoorten nauwelijks met elkaar. Rubidium, een uiterst reactief zacht metaal bij kamertemperatuur (het goedje ontbrandt spontaan), reageerde in een eerder experiment tienduizend keer langzamer met ytterbium. Dit was heel anders dan deze metalen zich volgens de tekstboekjes moeten gedragen. Rubidium heeft namelijk één los elektron dat heel snel reageert met een ander los elektron. Calcium heeft alleen elektronparen, die veel minder reactief zijn.
Wazige atomen reageren fel met elkaar
De stomverbaasde Rellergert en de rest van het team beseften uiteindelijk dat kwantummechanica verantwoordelijk was en vroegen raad aan collega’s van de universiteit van Philadelphia. De oorzaak bleek als volgt. Hoe minder energie een atoom of molecuul heeft, hoe waziger de plaats wordt. Vlak bij het absolute nulpunt is de energie per molecuul vrijwel nul, dus breidt de waarschijnlijkheidswolk zich enorm uit en beginnen de atomen elkaar te overlappen. Elektronen van calciumatomen bevinden zich tegelijkertijd in het ytterbium. Door dit kwantumeffect vormden de atomen in feite al een soort molecuul. In vaktaal: er bestond een superpositie van het molecuul en de losse atomen. Een molecuul in een hogere energietoestand. Dit molecuul zond een foton uit en viel zo terug in de gunstiger energietoestand van atomen die een verbinding waren aangegaan. Er had dus een chemische reactie plaatsgevonden die helemaal niet plaats had kúnnen vinden en, ook zeer absurd, sneller plaatsvindt naarmate de temperatuur meer daalt.
Kwantummechanica verklaart ook waarom het anders zo reactieve rubidium tienduizend keer langzamer reageerde. Door het ene ongepaarde elektron is rubidium een deeltje met oneven spin, een fermion. Fermionen stoten elkaar af. De gebruikte calciumisotoop (calcium-40) heeft een even spin omdat alle elektronen gepaard zijn. Het is daarmee een boson. Hierdoor konden het ytterbium-ion (een fermion) en calcium elkaar overlappen. Dit werkte niet bij rubidium.
Kwantumproces ook verantwoordelijk voor de ingewikkelde organische verbindingen in de ruimte?
De omstandigheden in deep space lijken erg op die in het experiment. In onze melkweg bevinden zich in een kubieke centimeter ongeveer een miljoen deeltjes, een vacuüm dat op aarde met moeite kan worden bereikt. Atomen ontmoeten elkaar zelden. Met drie kelvin veranderen deze atomen ook in wazige vlekken. Als bijvoorbeeld een koolstofatoom en een waterstofatoom elkaar ontmoeten, overlappen de wolken elkaar, vormen weer een superpositie, zenden energie uit, waarna zich een molecuul CH vormt. Dit molecuul kan weer nieuwe koolstof-, waterstof- of zuurstofatomen ontmoeten en zo voort. Dit proces verklaart de zeer ingewikkelde verbindingen die zich uiteindelijk kunnen vormen. Sommige astrofysici denken dat dit proces de bouwblokken van leven heeft opgeleverd. Anderen houden nog een slag om de arm. Immers, dit proces is nog nooit bij koolstof vastgesteld. In feite staat de hele cryochemie nog in de kinderschoenen. Stellige uitspraken doen is dus in dit stadium erg gevaarlijk.
Dankzij uitzetting van het heelal de achtergrondtemperatuur eindelijk laag genoeg?
Uiteraard is de verleiding erg groot verder te speculeren en op Visionair kan dat ook. Onderzoekers zijn het er over eens dat het leven op de een of andere manier moet zijn ontstaan uit deze organische stof in de ruimte, hetzij op aarde zelf, hetzij via panspermie op een andere plek in het heelal. Als extreem lage temperaturen inderdaad de ’trigger’ waren voor deze kwantumreacties en dus voor de vorming van organische stof, verklaart dit misschien waarom zich nu pas leven ontwikkelt in het heelal.
Miljarden jaren geleden was het domweg te heet voor deze subtiele kwantumeffecten. De achtergrondstraling, een overblijfsel van de oerknal, was toen nog domweg te energierijk. Deze hypothese is te toetsen door te zoeken naar sporen van ingewikkelde organische stoffen in licht van sterrenstelsels op bijvoorbeeld tien miljard lichtjaar afstand. Worden die sporen gevonden, dan klopt deze hypothese niet.
Onzichtbaarheidsmantels, dunne lenzen die zo krachtig zijn als een complete microscoop en veel betere zonnecellen. Het zijn maar enkele voorbeelden van de toepassingen van optische metamaterialen. De fabricage is helaas lastig en duur, maar deze nieuwe ontdekking kan daar wel eens verandering in brengen.
Metamateriaal vergt lastige bewerkingen
Het eerste metamateriaal ooit werd niet ontworpen voor licht maar voor radiogolven die een veel grotere golflengte hebben, namelijk van centimeters. Dit materiaal werd gemaakt van C -vormige stukken metaal en draad en in de vorm van een honingraat zo groot als een tafel in elkaar gesoldeerd. Weliswaar was dit veel werk, maar het kan door mensen gedaan worden. Dat komt omdat de golflengte van radiogolven zo groot is. Ook onderdelen van enkele millimeters zijn al voldoende klein om als metamateriaal te kunnen dienen. Licht is een veel grotere uitdaging. Metamaterialen die licht kunnen manipuleren, moeten structuurtjes hebben die veel kleiner zijn dan de golflengte van licht, 400 tot 700 nanometer. Dit is kleiner dan de meeste bacteriën. Voor mensen is dit onmogelijk en de nanotechnologie is ook nog niet zover dat we dit met apparaten makkelijk kunnen realiseren, anders dan op een plat vlak. Onze beste lithografische technieken – die worden gebruikt voor de nieuwste chips en processors, komen uit rond de 20 nanometer.
Lichtgolven vervormen vergt structuurtjes van enkele atomen breed
Om metamaterialen voor zichtbaar licht te ontwikkelen, moeten zelfs nog iets kleinere structuren worden ontwikkeld. We praten dan over structuren van enkele tientallen atomen breed (een atoom heeft, afhankelijk van het type, ongeveer 0,06 tot 0,6 nanometer doorsnede). Dit is veel lastiger te realiseren, vooral als je geen oppervlak, maar een driedimensionaal metamateriaal wilt hebben. Op zich zijn de componenten makkelijk te maken via allerlei welbekende bulkprocessen uit de chemische industrie. Het probleem is ze in elkaar te passen. We hebben geen robothanden op nanoschaal. Weliswaar kunnen we atomen verslepen, bijvoorbeeld met de punt van een scanning tunneling electronenmicroscoop, maar dat is een uiterst lastig en tijdrovend karweitje. Geen wonder dus dat Harry Potter zo zuinig is op zijn onzichtbaarheidsmantel, zullen fans van de bekende boekenserie van schrijfster J.K. Rowling zeggen.
DNA origami. De stukjes DNA met goudkogeltjes hechten zich automatisch aan het bijpassende DNA.
DNA-structuur zet zichzelf in elkaar
Tot nu toe. Anton Kuzyk van de technische universiteit van München en enkele collega’s hebben een manier gevonden om dit probleem te kraken. De techniek heet DNA origami en komt er op neer dat gouddeeltjes met korte stukjes enkelvoudig DNA worden bedekt. Tegelijkertijd worden de hierbij passende stukjes DNA in een grotere DNA-structuur gebouwd. Als de DNA-puzzelstukjes in elkaar vallen, worden de gouddeeltjes meegesleept en ontstaat een atomair bouwwerk dat, bij zorgvuldig ontwerp, bijna iedere gewenste vorm kan hebben.
Kuzyk en zijn collega;’s hebben dit proces gebruikt om negen nanodeeltjes goud van slechts tien nanometer doorsnede aan stukken DNA te binden. Hiermee vormden ze de treden van een wenteltrap op nanoschaal. Nog meer goed nieuws is dat het proces zelforganiserend is. In een oplossing kunnen ze werkelijk miljoenen van deze nanowenteltrappen fabriceren. Het proces is ook verrassend nauwkeurig: ongeveer tachtig procent van de trappen heeft de perfecte vorm.
In de vloeistof met een negatieve brekingsindex, links, lijkt het rietje de tegenovergestelde richting op te wijzen.
Het gevolg is dat er een vloeistof ontstaat met de optische eigenschappen van de spiraalvormige nanodeeltjes. Lichtdeeltjes, fotonen, bestaan uit een elektrisch veld dat een magnetisch veld, loodrecht op het elektrische veld, opwekt, dat weer een nieuw elektrisch veld, tegengesteld aan het eerste, opwekt en zo voort. Fotonen lijken daardoor om hun as te draaien. Licht dat net zo draait als de wenteltrap (gepolariseerd licht), wordt geabsorbeerd. Het wordt namelijk omgezet in plasmons, oppervlaktetrillingen in de gouddeeltjes. Licht dat juist tegen de wenteltrap in draait, ontspringt de dans. Dit effect heer circulair dichroïsme en dit is precies wat de onderzoekers waar hebben genomen. Ze kunnen het effect manipuleren door het DNA in de tegenovergestelde richting een spiraal te laten vormen en ook door een laagje zilver op de goud-nanodeeltjes aan te brengen. Dit verandert de frequentie van licht waar de spiralen gevoelig voor zijn. Dit is de eerste keer dat het iemand gelukt is op grote schaal een optisch metamateriaal te fabriceren.
De vloeistoffen kunnen zelfs in vaste stoffen worden omgezet na gebruik van (in de chemische industrie welbekende) kristallisatietechnieken. Dit is niet makkelijk, maar de eerste stappen zijn gezet. Hier zullen we nog meer van horen.
Bouwplaats waarop huizen zichzelf in elkaar zetten
Op die manier zouden materialen met een negatieve brekingsindex gemaakt kunnen worden. Als je een rietje in een vloeistof met een negatieve brekingsindex steekt, lijkt het op een vreemde manier afgesneden te zijn (rechter glas in de afbeelding). Hiermee kan je weer Potter-achtige onzichtbaarheidmantels of microscopen die in een portemonnee passen maken. Hiermee houdt het belang van de ontdekking niet op. In feite biedt deze techniek een zichzelf in elkaar zettende nanostructuur. Stel je voor: een bouwplaats waarop je elk onderdeel van een huis een bepaalde code meegeeft, waarna het zichzelf in elkaar zet. Dat is wat er hier op nanoschaal gebeurt. Hiermee zouden we het nanobouwprobleem radicaal opgelost hebben.
