Katalysator trekt zuurstofjasje aan en uit

Dit artikel is gepubliceerd in NRC Handelsblad van 17/18 juli 2010.

Een gloeiend heet palladiumpreparaat dat als actieve katalysator koolmonoxide aan het verbranden is.

Foto Richard van Rijn (ESRF en Universiteit Leiden)

Katalysatoren zijn de werkpaarden van de chemische industrie. Ze versnellen chemische reacties zonder daarbij zelf gebruikt te worden. Wat er tijdens de katalyse met de atomen aan het katalysatoroppervlak gebeurt, werd tot nu toe door de beperkingen van microscopische technieken vooral bij lage gasdrukken bestudeerd.

Onder leiding van hoogleraar Joost Frenken hebben onderzoekers van de Universiteit Leiden en de European Synchrotron Radiation Facility (ESRF) in Grenoble ontdekt dat bij realistische, hogere gasdrukken een nieuw fenomeen opduikt: het katalysatoroppervlak wisselt razendsnel tussen twee gedaanten (Nature Chemistry, 11 juli 2010). In de ene gedaante is de katalysator bedekt door een oxidelaagje van precies één zuurstofatoom dik. In de andere is dit laagje afwezig, zoals bij lage drukken. Met het zuurstofjasje aan gaat de katalyse sneller dan met het jasje uit.

De onderzoekers bestudeerden de reactie van het giftige koolmonoxide tot het onschadelijke koolstofdioxide, met het metaal palladium als katalysator. Met een speciaal voor relatief hoge drukken ontwikkelde Scanning Tunneling Microscoop werd het oppervlak atoom voor atoom afgetast. Met een eveneens speciaal ontwikkeld reactievat werd met krachtige röntgenstraling een paar atoomlagen diep in het oppervlak als geheel gekeken.

De drijvende kracht achter het schakelfenomeen blijkt de ruwheid van het oppervlak. Wanneer het katalysatoroppervlak nog alleen uit metaalatomen bestaat, is het gunstig om zich te bedekken met zuurstofatomen. Maar zodra het oppervlak geheel is bedekt met het zuurstoflaagje, wordt het door de katalysereacties steeds ruwer. Op een gegeven moment is het oppervlak zo ruw dat het gunstiger is om het zuurstofjasje weer uit te trekken. Het aan- en uittrekken van het zuurstofjasje gaat zo veel sneller dan het ruwer of gladder worden van het oppervlak dat het abrupte overgangen lijken.

In de praktijk bestaan katalysatoren vaak uit bolletjes, terwijl de onderzoekers een plat stukje metaal als katalysator gebruikten. Toch hebben ze al de eerste aanwijzingen gevonden dat het snel schakelen tussen twee structuren ook bij bolletjes optreedt. Samen met drie chemiebedrijven zoeken de onderzoekers nu of ze de nieuwe kennis over het aan- en uittrekken van het zuurstofjasje kunnen gebruiken om katalysatoren efficiënter te maken.

Internet

www.interfacephysics.nl/

www.realnano.nl

Origamibootje vouwt zichzelf

Dit artikel is gepubliceerd in NRC Handelsblad 3/4 juli 2010 (In De Kleine Wetenschap)

Vouw je wel eens een papieren vliegtuig of boot? Dan weet je: je moet goed opletten waar, hoe en in welke volgorde je het papier vouwt. Het velletje papier weet zelf natuurlijk helemaal niet hoe het een vliegtuig of een boot kan worden. Jíj moet dat bedenken en doen.

Maar nu is er een speciaal velletje dat zichzelf opvouwt tot een vliegtuig of een boot. Amerikaanse onderzoekers hebben het gemaakt. Niet van papier, maar van kunststof. Als ze er een elektrisch stroompje doorheen sturen, gaat het zijn vouwkunsten vertonen. Het lijkt wel magie. Maar dat is het niet. Het is een mooie kruising tussen iets wat al heel lang bestaat − de Japanse vouwkunst origami − en iets nieuws: robotachtige materialen die zichzelf kunnen vervormen.

Het origamivelletje is een vierkant van vier bij vier centimeter. Het bestaat uit 32 driehoekige stukjes die met rubberen naden aan elkaar vast zitten. Langs deze naden kan het velletje zich vouwen. Maar hoe weet het dan hoe het zich moet opvouwen? Dat komt doordat langs elke vouwnaad speciale scharniertjes zitten. Het metaal van deze scharniertjes onthoudt hoe het vroeger was gevouwen. Dit metaal heeft een geheugen!

De onderzoekers hebben het origamivel eerst zelf opgevouwen tot een boot of een vliegtuig. Toen hebben ze het verwarmd. De scharniertjes onthouden deze opgevouwen toestand. Vervolgens lieten de onderzoekers het origamiwerkje afkoelen en vouwden het weer terug tot een plat vel.

In het vel lopen kleine stroomdraadjes. Met een druk op de knop gaat er elektrische stroom door de draadjes lopen. De draadjes worden warm en dragen die warmte over op de scharniertjes. Daardoor herinneren de scharniertjes zich ineens hun opgevouwen toestand en beginnen spontaan te vouwen. Binnen twintig seconden is het vierkant omgetoverd tot een bootje of een vliegtuigje.

Van een origamivelletje kun je natuurlijk veel meer vouwen dan alleen een bootje of een vliegtuigje. De onderzoekers willen met hun zelfvouwende origami ook bijvoorbeeld een zonnepaneel van een ruimteschip uitvouwen. Of een klein drinkbekertje dat zichzelf uitklapt tot een grote drinkbeker.

Bekijk het filmpje van een origamivelletje dat zich opvouwt tot een bootje of een vliegtuigje.

Lees hier het interview dat ik eerder voor NRC Handelsblad heb geschreven met wiskundige Erik Demaine, een van de onderzoekers die heeft meegewerkt aan het zelfvouwende origamivelletje.