Geniaal kippengaas

Grafeen is het allerdunste materiaal dat er bestaat. Sinds de ontdekking in 2004, houdt het onderzoekers wereldwijd in de greep. De ultieme droom: elektronica die draait op grafeen in plaats van op silicium. Grafeenchips kunnen kleiner en sneller worden dan ooit met silicium mogelijk is. En dit jaar ontvingen de grafeenontdekkers Geim en Novoselov eindelijk de Nobelprijs voor natuurkunde.

[Dit artikel heb ik eerder geschreven voor het maandblad KIJK van november 2009. Met toestemming heb ik het hieronder overgenomen. Overigens voorspelde ik vorig jaar dat de grafeenontdekkers de Nobelprijs zouden winnen. Dit jaar is dat gelukkig al bewaarheid.]

Krabbel wat met een potlood op papier, en er is een kans dat je, zonder het te weten en zonder het te kunnen zien, een uniek flintertje materiaal hebt afgeschraapt: grafeen. Het is het dunste materiaal ter wereld: precies één atoom dik. En het blijkt verrassingen te herbergen voor materiaalkundigen, voor fysici, chemici en ook voor de industrie.

Het al eeuwen bekende materiaal grafiet, waarvan de potloodpunt is gemaakt, is eigenlijk een opeenstapeling van een heleboel plakjes grafeen die vrij losjes aan elkaar zitten. Juist omdat die plakjes zo gemakkelijk loslaten, kun je zo goed krabbelen met een potlood. Meestal schraap je een heleboel plakjes tegelijk eraf, maar heel soms slechts een enkel plakje, en dan heb je grafeen.

Decennialang hadden natuurkundigen gedacht dat grafeen niet kon bestaan. Om de eigenschappen van grafiet beter te begrijpen had de Canadees Philip Wallace in 1947 als eerste gerekend aan een éénatomig laagje. Het werd beschouwd als niet meer dan theoretische vingeroefening. Leuk om aan te rekenen. Maar men wist zeker dat een grafietlaagje van één atoom dik instabiel zou zijn: het zou uit elkaar kunnen vallen, kunnen oprollen of meteen chemisch reageren.

Plakband
Als grafeen in grafiet zit, kun je het er dan niet heel voorzichtig vanaf schrapen, ook al blijft het misschien maar heel eventjes bestaan?

Met dure hightech-apparatuur probeerde de Amerikaan Philip Kim aan het begin van de 21e eeuw toch maar eens om steeds dunnere laagjes van het potloodmateriaal af te schrappen. Met veel moeite was hij tot een soort pannenkoek van dertig grafeenlaagjes gekomen. Een hele prestatie, maar nog ver van grafeen. De doorbraak kwam in 2004. En niet van dure apparatuur, maar van een simpel stukje plakband.

Andre Geim, een geboren Rus met een Nederlands paspoort (zie kader), deed samen met zijn Russische collega Kostya Novoselov de ontdekking aan de universiteit van Manchester in Engeland. Ze maakten optimaal gebruik van het toeval en een paar verbazingwekkend simpele ideeën. Ze sloegen potloodgrafiet in een heleboel stukjes kapot. Ze pikten het dunste flintertje eruit en plakten het op een stukje plakband. Vervolgens vouwden ze de andere helft van het plakband over het flintertje heen en trokken het er weer af. Het flintertje was in twee dunnere helften gespleten.

Ze herhaalden de priegelige plakbandtruc meerdere malen en met talloze flintertjes grafiet. Allemaal trial-and-error. De overgebleven stukjes onderzochten ze onder een lichtmicroscoop en tot hun grote opwinding vonden ze stukjes die precies één atoom dik waren: grafeen. Nog gekker: de stukjes vielen niet uit elkaar, rolden niet op en reageerden niet. Ze hadden een hoge kwaliteit, waren sterk en chemisch stabiel.

Geim voelde dat hij de grote ontdekking had gedaan die hij zo lang had gezocht. In 2006 zei hij daarover in het tijdschrift Physics World: “In de verschillende terreinen waar ik twintig jaar lang heb gewerkt, was ik steeds op zoek naar iets groots. Voorheen vertrouwde ik op professionalisme en hard werken, maar had ik geen geluk. Ik denk dat ik nu geluk heb gehad en dat we op goud zijn gestoten.” Geims concurrent Philip Kim besefte dat hij de strijd om de ontdekking van grafeen had verloren en stapte meteen over op de plakbandmethode. Op conferenties vertelde hij eerlijk: “Ik ben verslagen door een stukje plakband.”

                           Over elkaar vallende plakjes grafeen onder de microscoop

Grafeen wordt nu gezien als de moeder van alle vormen van grafietachtige materialen. De atoomstructuur van grafeen ziet eruit als kippengaas of honingraat: een tweedimensionaal rooster van aan elkaar geschakelde zeshoeken, met op elke hoek een koolstofatoom. Als je grafeenlagen op elkaar stapelt krijg je grafiet. Als je grafeen oprolt tot een cilinder, krijg je een koolstofnanobuis, waar natuurkundigen ook al jaren door gefascineerd zijn. En als je grafeen oprolt tot een bol, krijg je een voetbalmolecuul, of buckybal, waarvoor de ontdekkers in 1996 de Nobelprijs voor Scheikunde ontvingen. Het platte vlak, de cilinder en de bol – allemaal verschillende manieren waarop koolstofatomen zich laten rangschikken, en allemaal met andere, verrassende eigenschappen.

Massaloos
De ontdekking van het eerste éénatomige materiaal leidde in eerste instantie vooral tot opwinding onder materiaalkundigen. Dat veranderde eind 2005-begin 2006. Theoretisch natuurkundige Carlo Beenakker van de Universiteit Leiden woonde begin 2006 een lezing van Geim in Leiden bij. “Hij liet toen zien dat de vrije elektronen in grafeen zich gedragen alsof ze geen massa hebben en overal doorheen vliegen. Dat is bizar. We kennen geen enkel ander materiaal waarin dat gebeurt. Ik begreep meteen dat grafeen hiermee ook voor natuurkundigen extreem interessant is. Een nieuwe wereld ging open. Ik ben onmiddellijk gestopt met wat ik aan het doen was, en heb mijn hele onderzoeksgroep op grafeen gezet. Binnen de kortste keren vonden wij – en andere onderzoekers wereldwijd – een stroom aan nieuwe dingen over grafeen.”

Ondanks dat grafeen maar een atoom dik is, bleek het fantastische mechanische eigenschappen te bezitten. Het is sterk en er komen geen defecten in voor, zoals in alle andere materialen wel het geval is. Hoe mooi silicium ook is voor toepassingen in de halfgeleiderindustrie, het vertoont altijd wel wat imperfecties. Grafeen niet: geen uitsteeksels, geen gaten. Het is zo vlak als een gedroomd biljartlaken. Daarnaast heeft het de aantrekkelijke scheikundige eigenschap dat elk koolstofatoom in grafeen een vrij pootje heeft waar je moleculen aan kunt hangen. Je zou grafeen bijvoorbeeld kunnen benutten in een chemische sensor, door het zo te ontwerpen dat het een bepaald molecuul detecteert via zijn pootjes.

“De mooiste grafeenontdekking van het afgelopen jaar,” vertelt Beenakker, “is dat je aan dat pootje een waterstofatoom kunt hangen, dat je er ook weer gemakkelijk kunt afhalen. Dat biedt mogelijkheden voor de opslag van waterstof, als we waterstof in de toekomst willen gebruiken als schone en efficiënte energiedrager. Wat ik extra bijzonder vindt, is dat het weer de groep van Geim is die dit heeft ontdekt. Hij heeft niet één unieke ontdekking gedaan, waarna anderen ermee verder gaan, zoals het vaak gaat. Nee, hij blijft zelf met nieuwe ontdekkingen komen.”

Grafeenelektronica
Binnen vijf jaar tijd na de ontdekking van grafeen zijn er legio uiteenlopende toepassingen verzonnen: kwantum-dotcomputers, chemische sensoren, slimme displays, supersterke nieuwe materialen, grafeenantennes, nanoveertjes, nanomembraantjes en nanoballonnetjes.

De meest revolutionaire toepassing lijkt die in de elektronica te zijn. Nu nog zijn elektronische componenten gebaseerd op de halfgeleider silicium. Geim en andere grafeenonderzoekers dromen van een elektronica die draait op het materiaal dat niet kon bestaan. In principe kun je van grafeen bijvoorbeeld dunne draadjes snijden – niet meer dan tien atomen dik – die ook nog sterk zijn, iets wat met geen ander materiaal kan. Zo zou je met grafeen misschien ultrasnelle transistors kunnen maken, waarmee je veel kleinere en snellere chips kunt fabriceren dan ooit mogelijk is met silicium. Het is afwachten wat van zulke beloften terechtkomt, want voorlopig bestaat er nog geen enkele toepassing van grafeen.

Maar zowel de universiteiten als de industrie zien de grote mogelijkheden van het koolstofkippengaas. In april 2009 ontving Beenakker een Europese subsidie van 1,5 miljoen euro voor zijn theoretische onderzoek naar de elektrische eigenschappen en mogelijkheden van grafeen. Hij gaat er vooral nieuwe jonge mensen mee aantrekken. Voor het experimentele onderzoek werkt hij samen met de universiteiten van Delft, Groningen en Nijmegen. Samen hebben ze ook nog eens drie miljoen euro Nederlands onderzoeksgeld ontvangen voor grafeenonderzoek.

“Elektronen in grafeen zich gedragen alsof ze geen massa hebben”, vertelt Beenakker over de elektronische eigenschappen van grafeen. “Je kunt het je niet voorstellen, maar het is wel zo. Voeg daar het feit aan toe dat grafeen geen imperfecties vertoont, en het verklaart waarom het elektrische stroom zo goed geleidt. En dat zonder dat je aan het materiaal ook maar iets hoeft te verbeteren, en ook nog gewoon bij kamertemperatuur. De elektronen rennen door het grafeen met een snelheid die maar een factor driehonderd lager is dan de lichtsnelheid in vacuüm.”

Die prachtige eigenschap is tegelijk ook een nadeel. Je kunt elektronen in grafeen niet stoppen. En dat is nou net wat wel nodig is om grafeen als een elektronicacomponent te gebruiken. Moderne elektronica werkt met aan en uit, met 1 en 0. Dat wordt lastig als elektronen zich niet laten afremmen. Het vinden van slimme manieren om dat toch in grafeen voor elkaar te krijgen, is de uitdaging voor Beenakker. “Ik vergelijk grafeen met een raspaard. Het ziet er prachtig uit, het is razendsnel, het is veelbelovend, maar je moet het wel temmen.”

Zelf heeft hij al een paar ideeën gelanceerd om grafeen te temmen. “Net zoals de elektronen in grafeen, wegen lichtdeeltjes ook niks. Met optische materialen kun je lichtdeeltjes ook moeilijk stoppen. Met een truc lukt het wel, bijvoorbeeld door twee polaroidfilters op de juiste manier achter elkaar te zetten. Ik heb theoretisch laten zien dat je voor grafeen een soort polaroidfilters kunt maken waarmee je de elektronen wel kunt stoppen. Maar als theoreticus maak ik zelf niets en heb ik ook geen lab. Nu is het aan experimentatoren om te kijken of dit idee ook maakbaar is.”

                                                            Grafeentransistor

DNA-analyse 
Een ander origineel idee is om grafeen te gebruiken voor supersnelle en goedkope DNA-analyse. Heel handig voor medisch en forensisch onderzoek. Liefst zou je menselijk DNA in een minuut willen analyseren, maar de huidige technieken zijn daar nog ver van vandaan. Misschien dat het wel lukt met een idee dat de Nederlander Henk Postma vorig jaar publiceerde. Snij een kleine spleet in grafeen, schuif daar DNA doorheen en lees het erfelijke materiaal letter voor letter af. De elektrische geleiding van grafeen hangt namelijk af van welke letter van het DNA – het basenpaar A, C, G of T – in de spleet zit. Meet de geleiding, en je weet welke basenpaar er zit. Postma wil deze zomer aan de TU Delft gaan experimenteren of dit idee in de praktijk haalbaar is.

Ideeën voor toepassingen van het materiaal dat niet kon bestaan zijn er te over. Een belangrijk praktisch probleem is echter nog onopgelost. Stel, je hebt een prachtige toepassing die werkt in het lab en die klaar is voor massaproductie. Hoe maak je dan genoeg grafeen? Nog steeds gebeurt dat met de plakbandmethode van Andre Geim. Maar daarmee kun je in een week een paar schilfertjes grafeen afschrapen – genoeg voor onderzoek in het lab, maar veel te weinig voor massaproductie. Net als met silicium zou je grafeenplakken op een gestandaardiseerde manier in grote hoeveelheden willen maken. Beenakker: “Daar gebeurt momenteel veel onderzoek naar, maar niemand weet nog hoe dat moet.”

[Kader 1:]
‘Geen goed onderzoek zonder humor’ 

Grafeenontdekker Andre Geim staat bekend als een charismatisch experimenteel onderzoeker – een echt uitvindertype ook. Hij werkte tussen 1994 en 2001 aan de Radboud Universiteit Nijmegen, kreeg een Nederlands paspoort, maar zijn onderzoeksstijl viel niet bij iedereen in goede aarde. Hij houdt van wat hij ‘hit-and-run’-experimenten noemt: neem een gek idee en ga in het lab proberen of het werkt. Werkt het niet, dan stap je snel over op iets nieuws. Maar heel soms vind je iets unieks, zoals grafeen in 2004. Of een jaar eerder, toen Geim ‘gekko-tape’ wist te maken: een nieuw soort tape dat werkt zoals de voetjes die de gekko (een soort hagedis) zijn spidermanachtige klimeigenschappen geeft, zonder dat er lijm aan te pas komt.

Helaas voor Nederland vond Geim het academische klimaat te hiërarchisch en te politiek, en hij vertrok naar Manchester in Engeland: “Ik vertrok omdat ik denk dat mijn gevoel voor humor niet dezelfde was als die van de wetenschappelijke gemeenschap in Nederland.” En in februari 2006 zei Geim in een interview met Physics World: “Sommige natuurkundigen denken dat als ze saai onderzoek doen, ze automatisch serieus onderzoek doen. Maar in mijn ervaring zijn mensen zonder een goed gevoel voor humor ook geen goede wetenschappers. Ze realiseren zich niet dat wetenschap niet saai hoeft te zijn om goed te zijn.”

[Kader 2:]
Wachten op de Nobelprijs 
Het kan niet missen: Andre Geim – een Rus met een Nederlands paspoort – en de Rus Kostya Novoselov gaan de Nobelprijs winnen voor hun ontdekking van grafeen in 2004. De vraag is alleen wanneer dat gaat gebeuren. Moeten ze er nog decennia op wachten, zoals het helaas vaak met Nobelprijzen gaat, of cashen ze al binnen enkele jaren? “De ontdekking is absoluut een Nobelprijs waard,” zegt ook de Leidse fysicus Carlo Beenakker, “zelfs al komt het nooit tot praktische toepassingen. Ik hoop echt dat het werk snel wordt beloond.”

[Dit schreef ik in 2009. Nou, gelukkig hebben ze niet lang hoeven wachten. Afgelopen oktober werd bekend dat Geim en Novoselov de Nobelprijs natuurkunde 2010 hebben gewonnen.]

Geim won in 2000 al een IgNobelprijs voor het laten zweven van een kikker in een magneetveld, werk dat hij in Nijmegen had uitgevoerd. De IgNobelprijs is een prijs voor wetenschappelijk onderzoek dat eerst aan het lachen brengt en daarna aan het denken zet. De prijs heeft inmiddels een cultstatus verworven. Na de ontdekking van hoge-temperatuursupergeleiders in 1986 waren natuurkundigen gefascineerd door foto’s van extreem koude supergeleiders die boven een magneetje zweven. Volgens Geim besefte bijna niemand dat je hetzelfde effect kunt gebruiken om ieder levend wezen van de grond te tillen. Hij kreeg het in een Nijmeegse supermagneet voor elkaar met een levende kikker. De foto van de zwevende kikker ging de hele wereld rond en lokte veel reacties uit.

Internet
Onderzoek van grafeenontdekker Andre Geim: www.graphene.org

Van stof tot ster en weer terug

Welke rol spelen moleculen bij de vorming van sterren en planeten? Hoe zijn de chemische bouwstenen voor leven ontstaan? Dat zijn enkele van de onderzoeksvragen uit het nieuwe NWO-programma astrochemie. 

Dit artikel is gepubliceerd in NWO Hypothese, oktober 2010

Het grootste deel van het heelal is extreem koud en leeg en wordt ook nog eens doorzeefd met gevaarlijke straling. Niet bepaald een gunstige omgeving voor de vorming van moleculen. Daarvoor moeten atomen of ionen namelijk stabiele bindingen met elkaar aangaan. Toch komt molecuulvorming in het heelal veel vaker voor dan decennialang werd gedacht, van eenvoudige vormen als moleculair waterstof tot complexe koolwaterstoffen die uit tientallen atomen kunnen bestaan.

De technische vooruitgang van telescopen heeft het mogelijk gemaakt om niet alleen natuurkundige aspecten van het heelal te onderzoeken, maar ook de scheikundige: hoe vormen moleculen zich onder ogenschijnlijk vijandige omstandigheden? In de jaren zeventig en tachtig begonnen astronomen voor het eerst oog te krijgen voor de rol van moleculen in de ruimte. Langzamerhand ontwikkelde zich uit de combinatie van astronomie en chemie het geheel nieuwe vakgebied van de astrochemie.

Hoewel Nederlandse onderzoekers al jarenlang op individuele basis bijdragen aan dit vakgebied, bestaat er sinds 1 september voor het eerst een geïntegreerd NWO-onderzoeksprogramma astrochemie (zie kader). “De astronomen weten welke onderzoeksvragen interessant zijn en de chemici kunnen helpen bij het beantwoorden daarvan”, zegt hoogleraar Xander Tielens van de Universiteit Leiden en voorzitter van de programmacommissie.

Het grote belang van de astrochemie voor de evolutie van het heelal blijkt vooral uit de chemische kringloop van elementen. Sterren die aan het eind van hun leven zijn gekomen, slingeren grote hoeveelheden materiaal de ruimte in. In de interstellaire ruimte wordt dit materiaal gebombardeerd door straling en deeltjes waardoor het chemisch verandert. De nieuw gevormde stoffen dienen vervolgens als bouwmateriaal voor de vorming van een volgende generatie sterren en planeten. Zo sluit de chemische kringloop zich: van stof tot ster en weer terug.

“De belangrijkste vraag voor astrochemici is wat de rol is van moleculen in deze kringloop”, zegt Tielens. “Spelen ze alleen een passieve rol of juist ook een actieve rol? En als ze een actieve rol spelen, welke rol is dat dan precies?”

Klontering
Een belangrijke motivatie voor het NWO-onderzoeksprogramma astrochemie vormde het in aanbouw zijnde Atacama Large Millimeter Array, kortweg ALMA. ALMA wordt een verzameling van tenminste vijftig radiotelescopen op vijf kilometer hoogte in de Chileense Atacamawoestijn. Naar verwachting gaat ALMA vanaf eind 2011 de vorming van sterren en planeten in het vroege universum in beeld brengen.

“Nederland is heel actief in ALMA,” zegt Tielens, “onder andere met het ontwerpen van detectoren. Voor de komende tien jaar wordt ALMA voor astrochemici een belangrijk instrument. Met een betere resolutie dan ooit tevoren kunnen we dan gaan bestuderen welke rol moleculen spelen in de met gas en stof gevulde schijven rond jonge sterren. Het zijn deze zogeheten protoplanetaire schijven waarin zich nieuwe planeten kunnen vormen.”

Een van de onderzoekers die binnen het nieuwe astrochemieprogramma gebruik hoopt te gaan maken van ALMA is Inga Kamp, universitair docent aan de Rijksuniversiteit Groningen. Kamp is vooral geïnteresseerd in het beginstadium van de planeetvorming. In het begin bevat een protoplanetaire schijf typisch 1 massaprocent stof en 99 massaprocent gas. Het stof bestaat voornamelijk uit silicaten en grafiet. Het gas bevat onder andere moleculair waterstof, koolstofmonoxide, koolstofdioxide en acetyleen. Kamp: “Hoewel er veel meer gas dan stof in de schijf zit, weten we minder van de rol van het gas dan van de rol van het stof. Daarom onderzoek ik juist het gas. Ik ben me gaan realiseren hoe belangrijk scheikunde is om de astronomische waarnemingen van moleculen te vertalen naar het begrijpen van protoplanetaire schijven.”

Aan het begin van de planeetvorming staan de kleine stofdeeltjes. Die gaan aan elkaar klonteren, vormen steeds grotere klonters, tot er zelfs kilometer grote rotsachtige klompen ontstaan. “Ik wil achterhalen hoe de samenstelling van de protoplanetaire schijf verandert tijdens dit proces”, zegt Kamp. “Hoe verandert de dikte van de schijf? Hoe verandert de straal? Hoe verandert de gastemperatuur op verschillende plekken in de schijf, en daarmee de chemische samenstelling? Met de Herschel Space Observatory onderzoeken we nu zo’n 250 schijven die zich in verschillende evolutionaire stadia bevinden. Dan spreken we over 1 tot 30 miljoen jaar na de vorming van de ster die zich middenin de schijf bevindt.”

Snapshots
Kamp ontwikkelt computermodellen van protoplanetaire schijven: “Ik bereken telkens een snapshot in de ontwikkeling van zo’n schijf. Alle snapshots bij elkaar vormen dan een filmpje van de evolutie van een protoplanetaire schijf.” De uitkomsten van haar modellen vergelijkt ze nu nog met die van de vorig jaar in de ruimte gestuurde Herschel-ruimtetelescoop. In de toekomst wil ze ook ALMA gaan gebruiken, die in zekere zin complementair wordt aan Herschel, vertelt Kamp. “Met ALMA kunnen we het koudste gedeelte van de schijf bestuderen, het gedeelte dat met Herschel niet zichtbaar is. Ik verwacht dan ook een mooie synergie tussen Herschel en ALMA.”

Hoe kan zij als onderzoeker profiteren van het feit dat er nu één geïntegreerd astrochemieprogramma in Nederland is gevormd? “Regelmatig zullen bijeenkomsten worden georganiseerd waarop we kennis en ervaringen gaan delen. Het is heel goed om je eigen onderzoek ook eens door de ogen van iemand anders te bekijken. Om een voorbeeld te geven: voor mij als astronoom heeft een stofkorrel in de ruimte een glad oppervlak. Maar voor een fysicus als Petra Rudolf, die ook in het astrochemieprogramma zit, is het oppervlak ruw en kan het allerlei insluitingen hebben. Juist die eigenschappen kunnen de chemie sterk beïnvloeden. Samen kunnen we dus een realistischer beeld krijgen.”

IJslagen
Waar Inga Kamp onderzoekt wat er in de protoplanetaire schijf als geheel gebeurt, bestudeert Herma Cuppen de individuele stofdeeltjes die zowel in moleculaire wolken als in protoplanetaire schijven voorkomen. Cuppen werkt nu nog als postdoc-onderzoeker aan de Universiteit Leiden, maar verhuist in januari met een ERC Starting Grant naar Nijmegen. Ze ontwikkelt deeltjessimulaties die zich over honderdduizenden jaren uitstrekken.

“Meer in het bijzonder onderzoek ik wat er qua chemie gebeurt op de stofdeeltjes die een ijslaag om zich heen hebben”, vertelt Cuppen. “Welke reacties vinden er plaats op het oppervlak? Wat is de temperatuur? Wanneer verdampt de ijslaag? Wat gebeurt er dan met de moleculen die zich op de ijslaag bevinden? Een van mijn doelen is om het inzicht wat volgt uit mijn deeltjesmodellen te gebruiken ter verbetering van de continuümmodellen zoals Inga die gebruikt.”

De met een ijslaag omhulde stofdeeltjes spelen een belangrijke rol in de temperatuurregeling van een moleculaire wolk of een protoplanetaire schijf. Omdat voor stervorming een omgeving met een lage temperatuur nodig is, spelen ze dus ook al een belangrijke rol voor de stervorming. Daarnaast worden uit het samenklonteren van zulke kleine ijsdeeltjes kometen gevormd.

Cuppen vergelijkt haar deeltjessimulatie in eerste instantie met laboratoriumexperimenten van haar Leidse collega’s. “Ik probeer mijn simulatieresultaten ook wel te vergelijken met astronomische waarnemingen, maar dat is toch een stuk moeilijker omdat die vaak grote inhomogene gebieden bestrijken.”

Een van de grote vragen die astrochemici proberen te beantwoorden is hoe water op aarde terecht is gekomen. Alles lijkt er op dat er al vroeg na de vorming van de aarde water was. Cuppen: “Maar hoe is het daar terecht gekomen? Via kometen met een ijslaag? Of ontstond het al met de vorming van planeet aarde? Als we meer weten over waar ijslagen precies voorkomen, kunnen we een beter idee krijgen voor de waarschijnlijkheid van de verschillende scenario’s.”

Cuppen is opgeleid als scheikundige en belandde min of meer bij toeval in de astrochemie. “Tot mijn verrassing zag ik dat de astronomie ook voor de chemie een heleboel interessante onderzoeksvragen heeft. En al die vragen hebben uiteindelijk toch te maken met de oorsprong van onszelf.”

Grootste moleculen Behalve dat het onderzoeksprogramma astrochemie aansluit bij nieuwe telescopen zoals ALMA en de James Webb Space Telescope, sluit het ook aan bij bestaande Nederlandse onderzoeksfaciliteit zoals de vrije-elektronenlaser FELIX van het instituut FOM Rijnhuizen en het Kernfysisch Versneller Instituut (KVI) van de Rijksuniversiteit Groningen.

“De grootste moleculen die in de ruimte voorkomen”, zegt hoogleraar Xander Tielens, “zijn de zogeheten polyaromatische koolwaterstoffen. Die komen veel in stofwolken voor. We weten dat deze uit elkaar kunnen vallen en moleculaire ringen of ketens kunnen vormen. Maar we weten niet precies hoe dat proces chemisch werkt. Dat gaan we onderzoeken door de koolwaterstoffen te bombarderen met verschillende soorten straling. Daarvoor gaan we zowel de FELIX-laser gebruiken als de deeltjesversneller van het KVI.”

Tielens benadrukt dat het NWO-programma naast het onderzoek nog een belangrijk doel dient: “Via zomerscholen en andere trainingen krijgen promovendi namelijk voor het eerst een specifieke opleiding die de astronomie combineert met de chemie en de fysica. Met het oog op de nieuwe telescopen ALMA en James Webb Space Telescope is het belangrijk dat we via dit opleidingsprogramma de onderzoeksleiders van de toekomst trainen.”


[kader:]
Onderzoeksprogramma Astrochemie in het kort

Op 1 september 2010 is het NWO-onderzoeksprogramma Astrochemie officieel van start gegaan. Over een periode van vijf jaar heeft NWO 2,8 miljoen euro beschikbaar gesteld voor vier onderzoeksthema’s: (1) de vorming, vernietiging en excitatie van eenvoudige moleculen in de gasfase; (2) de rol van stof en ijs in het heelal; (3) de chemische evolutie van polycyclische aromatische koolwaterstoffen; en ten slotte (4) het ontstaan van de chemische bouwstenen van leven.

Het onderzoeksprogramma is bottom-up tot stand gekomen: in onderling overleg hebben de onderzoekers zelf voorgesteld welke onderzoeksvragen zij belangrijk vinden en hoe die het beste aansluiten bij waar Nederland goed in is. Een internationaal wetenschappelijk panel heeft de voorstellen vervolgens bijgeslepen tot het huidige astrochemieprogramma.

In het programma werken vaste-staf-onderzoekers, post-docs, promovendi en studenten samen, afkomstig van de Universiteit Leiden, de Universiteit van Amsterdam, de Vrije Universiteit in Amsterdam, de Radboud Universiteit Nijmegen, de Rijksuniversiteit Groningen (Kernfysisch Versneller Instituut, Kapteyn Instituut en Zernike Instituut) en het FOM-instituut voor plasmafysica Rijnhuizen.

Internet

www.nwo.nl/astrochemie NWO-programma astrochemie
www.almaobservatory.org ALMA-telescoop in Chili
www.jwst.nasa.gov/ James Webb Space Telescope
http://herschel.esac.esa.int/ Herschel-ruimtetelescoop
www.rug.nl/kvi/index Kernfysisch Versneller Instituut (KVI)
www.rijnhuizen.nl/felix/ De vrije-elektronenlaser FELIX van het FOM-instituut Rijnhuizen

Woensdag te gast bij OBA Live om te praten over Turing Test

Aanstaande woensdag, 27 oktober, ben ik te gast bij het radioprogramma OBA Live om te praten over de Turing Test en de zoektocht naar denkende machines.

Presentator: Theodor Holman. Live-uitzending van 19.00-20.00 op Radio 5 en ook te bekijken via de webcam.

Je kunt de uitzending ook meteen herbeluisteren door hieronder op de play-knop te drukken:

Lees hier het artikel dat ik op 27 september j.l. over de Turing Test heb geschreven voor NRC Handelsblad.

Bekijk hier een van de vele schitterende fragmenten van computer HAL 9000 uit de film "2001 - A Space Odyssey" van Stanley Kubrick uit 1968.

HAL 9000 zou zeker zijn geslaagd voor de Turing Test. Maar waar blijft HAL anno 2010? Ik zal het woensdag uitleggen...

Watch the SCIENCE & ART of bouncing water droplets

Read more in the paper: “Bouncing Water Droplet on a Superhydrophobic Carbon Nanotube Array,” authored by Adrianus I. Aria, Morteza Gharib, published online on ArXiv, Submitted on 7 Oct 2010: http://arxiv.org/abs/1010.1351

Benoit Mandelbrot, father of fractal geometry, dies at 85

“Bottomless wonders spring from simple rules repeated without end.” 

                         Benoit Mandelbrot, father of fractal geometry

                                                 The beautiful Mandelbrot fractal

Watch here Benoit Mandelbrot's talk at TED 2010:



Read more in The New York Times

Nobelprijs dankzij multiculti

In een tijd waarin Europese landen zich terugtrekken in nationalisme, is de wetenschap een verademing. Samen met zijn collega Konstantin Novoselov won Andre Geim dinsdag de Nobelprijs Natuurkunde. Geim werd in 1958 geboren in Sochi, nu Rusland, destijds Sovjet-Unie. Zijn ouders zijn Duitse Joden. Na zijn promotie als natuurkundige zwierf hij als postdoconderzoeker naar Denemarken, Engeland, Nederland en weer Engeland. Een zwerftocht doortrokken van diverse culturen. Hij werkte tussen 1994 en 2001 aan de Radboud Universiteit Nijmegen en kreeg een Nederlands paspoort. Geim en Novoselov deden hun Nobelprijswinnende ontdekking in 2004 echter in het Engelse Manchester.

NRC Handelsblad kopte na de bekendmaking van de Nobelprijs op de website: “Nobelprijs voor Nederlandse natuurkundige.” de Volkskrant: “Nobelprijs voor Nederlander.” Als hij maar wint, dan is elke ‘buitenlander’ ineens helemaal van ons. BBC News is eerlijker en schrijft: “Nobelprijs Natuurkunde voor de Russen Andre Geim en Konstantin Novoselov”, maar meldt daarna meteen dat beiden aan de Universiteit van Manchester werken. Novoselov heeft trouwens een Brits en een Russisch paspoort.

Helaas voor Nederland vond Geim het academische klimaat hier te hiërarchisch en te politiek en vertrok nog vóór zijn Nobelprijswinnende ontdekking naar Manchester in Engeland, waar hij nu hoogleraar is: “Ik vertrok omdat ik denk dat mijn gevoel voor humor niet dezelfde was als die van de wetenschappelijke gemeenschap in Nederland.” Sinds begin dit jaar is hij wel aangesteld als bijzonder hoogleraar aan de Radboud Universiteit Nijmegen.

Geim houdt van wat hij ‘hit-and-run’-experimenten noemt: neem een gek idee en ga in het lab proberen of het werkt. Werkt het niet, dan stap je snel over op iets nieuws. Risicovol onderzoek waar de Nederlandse onderzoekscultuur niet dol op is. Maar heel soms vind je juist zo iets unieks, zoals in 2004 het Nobelprijswinnende grafeen, een soort éénatomig dik kippengaas met unieke materiaaleigenschappen. Of een jaar eerder, toen Geim ‘gekko-tape’ wist te maken: een nieuw soort tape dat werkt zoals de voetjes die de gekko zijn spidermanachtige klimeigenschappen geeft, zonder dat er lijm aan te pas komt.

Geim heeft optimaal gebruik gemaakt van enerzijds zijn persoonlijke en Russische talent om gekke, risicovolle wegen in te slaan die de meeste Nederlanders niet durven inslaan, en anderzijds zijn Sovjetopleiding en de kansen die het Westen hem daarna hebben geboden. Gekibbel over nationale cultuur, dubbele paspoorten en nationale loyaliteit? Gelukkig kent de wetenschap geen grenzen. De wereld is een veelbelovend materiaal rijker juist dankzij multiculti.

De computer kletst maar wat - Weg met de Turing Test

De Turing Test was bedoeld om op een praktische manier antwoord te geven op de vraag of machines kunnen denken. Inmiddels lijkt de beroemde test volledig achterhaald.

Dit artikel is gepubliceerd in NRC Handelsblad, 25 september 2010

In 1950 stelde de Britse computerpionier Alan Turing een praktische test voor die een antwoord zou moeten geven op de vraag: ‘Kunnen machines denken?’ Die test kwam de Turing Test te heten. In het kort: je mag via een toetsenbord en een beeldscherm waarop alle tekst verschijnt converseren met een mens en een machine. Je weet echter niet wie wie is. Wanneer je niet in staat bent te onderscheiden wie de mens en wie de machine is, dan is het volgens Turing fair om te zeggen dat de machine kan denken. Turing voorspelde dat computers nog vóór het jaar 2000 zouden slagen voor deze test.

Maar zelfs nu, zestig jaar later, is er nog nooit een computer geslaagd. Nog steeds vallen machines snel door de mand. Toch verkondigt uitvinder Ray Kurzweil dat computers rond 2030 zullen slagen voor de Turing Test, in essentie door de werking van het menselijke brein na te bouwen. Maar er zijn geen aanwijzingen dat op dat terrein voldoende snel vooruitgang wordt geboekt, als het überhaupt al zou kunnen. Kurzweil wil zijn chatbot Ramona klaarstomen voor de Turing Test. Op zijn website kun je chatten met Ramona 4.0, die onder andere kan putten uit alle kennis van Wikipedia. Dat levert gespreksflarden als deze op:

you> Who is your favorite writer?

Ramona> I don't have a favorite writer. My favorite food is lasagna made with in-vitro beef and cloned cheese.

you> How does that taste?

Ramona> Taste is a form of direct chemoreception and is one of the traditional five senses.

you> Do you make the lasagna yourself?

Ramona> Lasagna is both a form of pasta in sheets and also a dish, sometimes named lasagne al forno made with alternate layers of pasta, cheese, and often ragù or tomato sauce.

you> You just tell me some objective facts. Where are your subjective feelings?

Ramona> Eric said he broke the window on the front door and the glass cut his hand. Subjective experience, the sensory buzz and awareness associated with a conscious mind A school of bayesian probability stating that the state of knowledge corresponds to personal belief

Chatbots als Ramona gebruiken vooral trucjes zoals geforceerd praten over wat ze wel weten of het uit de weg gaan van de conversatie door zelf vragen te stellen. Zodra je het gesprek een beetje persoonlijk maakt, raken ze in verwarring. Ook hebben ze grote moeite met alledaagse, impliciete kennis. Elk kind weet dat wanneer je een glas water op de grond laat vallen het glas breekt en het water wegloopt. Dat heeft het geleerd door ervaring, uit de interactie tussen lichaam en omgeving. Niemand heeft dat expliciet verteld en het staat ook niet in een encyclopedie. Juist deze impliciete kennis is voor een computer uiterst moeilijk. Zonder zintuigen die de wereld waarnemen kan een computer die kennis niet zelf opdoen en moet hij deze expliciet geprogrammeerd krijgen. Hoewel dat al drie decennia geprobeerd wordt in het project CYC, is het tot nu toe ondoenlijk gebleken.

Als de Turing-Test-chatresultaten ondanks een enorme vooruitgang in hardware en software na zestig jaar nog zo teleurstellend zijn, wat moeten we dan anno 2010 nog met de Turing Test?

Vliegen

“De Turing Test is gedateerd”, vindt Frank van Harmelen, hoogleraar aan de Vrije Universiteit in Amsterdam en gespecialiseerd in kunstmatige intelligentie. “In 1950 waren de ideeën van wat computers konden nog heel naïef. Het was revolutionair dat Turing al durfde na te denken over computers die niet te onderscheiden zijn van mensen. Maar nu zijn we zestig jaar verder en begrijpen we veel beter wat computers wel en niet goed kunnen en wat intelligentie is.”

Juist omdat de Turing Test gericht is op het simuleren van menselijke intelligentie vindt Van Harmelen de test gedateerd. Hij vergelijkt het met vliegen. Iedereen vindt dat vogels vliegen. Maar iedereen vindt ook dat Boeing 747’s vliegen, terwijl ze dat op een heel andere manier doen. Toch zou geen 747 ooit slagen voor een Turing Test voor vliegen als die net zo gebaseerd zou zijn op het imiteren van vogels als de Turing Test gebaseerd is op het imiteren van mensen. Eeuwenlang probeerden mensen te vliegen door vogels na te doen. Dat leverde behalve tragikomische scènes niets op. De mens leerde pas vliegen toen hij ophield de natuur te imiteren, de wetten van de aërodynamica ging begrijpen en vliegtuigen met stijve vleugels ging bouwen.

“Aan de ene kant vind ik dat de Turing Test het wetenschappelijk onderzoek naar kunstmatige intelligentie in de weg staat”, zegt Van Harmelen. “We moeten niet meer uitsluitend mikken op het nabouwen van menselijke intelligentie. We moeten algemene theorieën maken over wat intelligentie is en op basis daarvan software bouwen. Machine-intelligentie hoeft helemaal geen menselijke intelligentie te zijn. Aan de andere kant zie ik een computer die slaagt voor de Turing Test wel nog als de ultieme droom van het vakgebied, zoals de ultieme droom van de natuurkunde een Theorie van Alles is. We moeten die droom niet loslaten, maar hij is niet richtinggevend voor het ontwikkelen van kunstmatige intelligentie.”

Lichaam

Meer en meer is gebleken dat machines andere vormen van intelligentie vertonen dan menselijke intelligentie. Zo berekent een schaakcomputer zijn zetten anders dan mensen dat doen. Mensen gebruiken patroonherkenning. Schaakcomputers zoeken enorm snel door enorme hoeveelheid combinaties heen. Het een is niet per definitie beter dan het ander. De twee strategieën kunnen elkaar zelfs aanvullen, zoals bij de modernste schaakcomputers wordt geprobeerd.

De menselijke hardware heeft cognitieve beperkingen ingebouwd: zo kan ons brein maar zeven plus of min twee items in het kortetermijngeheugen opslaan. Van Harmelen: “Maar waarom zouden we zo’n zelfde beperking inbouwen in een computer alleen maar om menselijke intelligentie te simuleren? Veel dingen die moeilijk zijn voor mensen zijn heel goed op computers te realiseren, zoals schaken of het uitrekenen van ingewikkelde formules. Paradoxaal genoeg zijn de dingen die elke driejarige kleuter al kan juist heel erg moeilijk voor een computer: natuurlijke taal begrijpen of gezichten herkennen.”

Van Harmelens argumenten tegen de Turing Test worden door de meerderheid van de internationale collega’s gedeeld. In 2006 vierde de kunstmatige intelligentie haar vijftigjarig bestaan met een grote conferentie. Uit een enquête onder de aanwezige wetenschappers, waaronder de oprichters van het vakgebied, bleek dat 41 procent geloofde dat computers helemaal nooit de menselijke intelligentie zouden kunnen simuleren; nog eens 41 procent meende dat dat wel zou kunnen, maar dat het meer dan vijftig jaar zou duren. Mensen als Ray Kurzweil, die denken dat een computer binnen twee decennia slaagt voor de Turing Test, zijn een uitzondering.

Een ander argument tegen de Turing Test komt uit de hedendaagse cognitiewetenschap: de menselijke cognitie ligt diep verankerd in het feit dat wij een lichaam hebben. Onze hersenen zijn geëvolueerd voor een effectieve interactie met de omgeving. Ze vragen zich voortdurend hoe het lichaam in respons op de omgeving moet reageren. Waarnemen en handelen zijn daarbij essentieel. Dat kunnen hedendaagse computers in het geheel niet en zelfs de beste robots zijn er onbeholpen in. Ook de belangrijke non-verbale communicatie gebeurt via het lichaam.

Sociaal spel

In kringen van filosofen en logici heeft de Turing Test altijd een voorname status gehad. Johan van Benthem is hoogleraar logica en de toepassingen daarvan in de informatica en de cognitiewetenschappen. Hij is zowel verbonden aan de Universiteit van Amsterdam als aan de Stanford Universiteit (VS). Net als Van Harmelen vindt ook hij de Turing Test gedateerd.

“Allereerst is de test gebaseerd op een achterhaald machinemodel: de Turingmachine. De Turingmachine is een computer met in- en uitvoer die alles in zijn eentje moet doen.” Het bedenken van die machine was Turings belangrijke fundamentele bijdrage aan de informatica. Alles wat op een mechanische manier berekend kan worden, kan berekend worden met een Turingmachine.

“Maar”, zegt Van Benthem, “na zestig jaar is de realiteit er niet meer een van een op zichzelf staande machine, maar van netwerken van aan elkaar gekoppelde computers of processoren. Denk aan het internet of aan supercomputers met duizenden processoren. En op softwareniveau ontstaan steeds meer gemeenschappen van software-agenten die hun eigen doelen nastreven en informatie uitwisselen.”

Van Benthem: “Voor zulke netwerken of gemeenschappen hebben we nog geen goed theoretisch model. Misschien moeten we zo’n model eerder baseren op het concept van een spel tussen meer dan twee spelers, zoiets als het spel Cluedo bijvoorbeeld, dan op het concept berekening. Het feit dat filosofen nog steeds over de Turing Test debatteren laat vooral zien dat ze de ontwikkelingen in de informatica van de afgelopen vijftig jaar niet hebben gevolgd.”

Van Benthems tweede argument tegen de Turing Test is een veelgehoord tegenargument: het is een alles-of-niets-test. Ofwel een machine slaagt voor de Turing Test, of niet. De test meet niet hoeveel beter de machine in staat is een menselijke dialoog te simuleren, laat staan wat machine en mens samen beter zouden kunnen dan alleen.

Van Benthem: “Eigenlijk vind ik het daarom een extreem oninteressante test. Veel interessanter is het verschijnsel dat machine-intelligentie in de afgelopen zestig jaar helemaal geen concurrent is geworden van menselijke intelligentie, maar dat menselijke intelligentie is uitgebreid met machine-intelligentie. De samenwerking tussen mens en machine heeft tot nieuwe gedragsvormen geleid, zoals het gebruik van internet en smartphones. Wat mij betreft is de interessante vraag welke uitbreidingen wel en niet werken en waarom; niet of we menselijke intelligentie kunnen simuleren.”

Flauwe trucjes

Op 23 oktober aanstaande vindt voor de twintigste keer de Loebner Prize plaats, de enige wedstrijd ter wereld waarin computerprogramma’s het opnemen in een Turing Test. Hoewel er nog nooit een voor de test is geslaagd, ontvangt het best presterende programma wel een prijs van tweeduizend dollar. Maar de dialogen van de afgelopen winnaars stellen teleur, vergelijkbaar met die van Ramona 4.0.

Wie de deelnemerslijst doorneemt, ziet dat ’s werelds beste laboratoria op het terrein van de kunstmatige intelligentie, zoals de Amerikaanse universiteiten MIT, Stanford en Carnegie Mellon, schitteren door afwezigheid. Het aantal deelnemers is sowieso beperkt tot een handvol. Een teken aan de wand? “Ja”, zegt Frank van Harmelen. “De Loebner Prize is Spielerei. Hij trekt elk jaar weer even de aandacht, maar speelt in het wetenschappelijke onderzoek naar kunstmatige intelligentie geen enkele rol.”

“Een computer laten slagen voor de Turing Test is gewoon nog te moeilijk”, zegt Johan Bos, hoogleraar computationele semantiek aan de Rijksuniversiteit Groningen. Bos bouwt zelf vraag-antwoordsystemen voor wetenschappelijk onderzoek. “We kunnen wel dialoogsystemen voor beperkte domeinen en taken maken, maar er komt veel meer bij kijken om een universeel dialoogsysteem met kennis van de wereld en een eigen mening te maken. Daarom is er weinig tot geen interesse van de academische wereld. Het is wetenschappelijk niet interessant om een dialoogsysteem vol met flauwe trucjes te bouwen.”

Wat heeft de Turing Test na zestig jaar dan opgeleverd? Toch vooral veel voer voor filosofen. Stapels artikelen die beargumenteren waarom de Turing Test wel of geen goede test voor machine-intelligentie is. Maar geen bijdrage aan het creëren van kunstmatige intelligentie. Geen beter begrip van intelligentie. Geen betere dialoogsystemen. Weg met de Turing Test. Op zoek naar interessantere vormen van kunstmatige intelligentie.

Internet

www.loebner.net/Prizef/loebner-prize.html Loebner Prize

www.kurzweilai.net/ Website van uitvinder Ray Kurzweil www.kurzweilai.net/ramona4/ramona.html Chatbot Ramona 4.0. Ramona is onder andere gekoppeld aan het vraag-antwoordsysteem Powerset dat kan putten uit alles wat op Wikipedia staat.

www.longbets.org/1 Debat tussen Mitchell Kapor en Ray Kurzweil. Slaagt een computer in 2029 voor de Turing Test?

www.worldsbestchatbot.com/Competition_Transcripts De dialogen van de winnaar van de Loebner Prize 2009

http://www.cse.unr.edu/~sushil/class/ai/papers/coffeehouse.html ‘A coffeehouse conversation on the Turing Test’ van Douglas Hofstadter www.cogs.susx.ac.uk/users/blayw/tt.html ‘Why the Turing Test is AI’s biggest blind alley’

http://crl.ucsd.edu/~saygin/papers/MMTT.pdf ‘Turing Test 50 Years Later’. Uit Minds and Machines, 2000

www.cyc.com/ Project CYC

[Kader:] Wie was Alan Turing?

Alan Turing (1912-1954) was een Britse wiskundige en computerpionier. In 1936, nog vóór de eerste elektronische programmeerbare computers, bedacht hij een baanbrekend rekenmodel waarop alle bekende rekenprocessen zijn na te bootsen: de Turingmachine. Hij toonde ook het bestaan aan van een universele computer: een Turingmachine die in staat is om elke andere Turingmachine na te doen. Het is de basis van ons moderne begrip van de ‘general purpose computer’.

Tijdens de Tweede Wereldoorlog speelde Turing een grote rol bij het kraken van de Duitse Enigma-codering met grote decodeermachines. Dankzij het werk van Turing en zijn collega’s ontcijferden de Britten tienduizenden Duitse berichten per maand.

In 1950 stond Turing aan de wieg van het vakgebied kunstmatige intelligentie, met zijn idee van de Turing Test. Hij verdiepte zich in het bouwen van een ‘elektronisch brein’ en voorspelde dat computers vóór het jaar 2000 zouden slagen voor de Turing Test.

In 1952 werd Turing opgepakt voor openlijke homoseksualiteit, destijds nog een misdaad in Groot-Brittannië. Hij werd veroordeeld tot een hormoontherapie van een jaar om zijn homoseksualiteit te onderdrukken. In 1954 werd Turing dood in zijn bed gevonden, vergiftigd door cyanide. Hoewel een duidelijk motief ontbreekt, heeft hij waarschijnlijk zelfmoord gepleegd. Zijn moeder en enkele anderen dachten echter dat het een ongeluk was geweest.

In 2009 bood de Britse premier Gordon Brown openlijk excuses aan voor Turings veroordeling.

Turings naam is verbonden aan de Turing Award, die sinds 1966 jaarlijks wordt uitgereikt. Deze prijs wordt beschouwd als de Nobelprijs voor informatica.

2012 is het internationale Alan Turing-jaar, vanwege zijn honderdste geboortejaar: www.turingcentenary.eu

Meer over Alan Turing op de website van Turing-biograaf Andrew Hodges:
www.turing.org.uk/