Soft Voices

In Museum Boerhaave in Leiden kwam ik deze prachtige glazen slakkenhuizen-met-toeters tegen. Ze maken deel uit van het project Soft Voices van kunstenaar Anna van Suchtelen. Het slakkenhuis, de gehoorgang en de (oor)schelp vormen het uitgangspunt van deze glaskunst.

Newtons flipperkast

Credit: Museum Boerhaave/Epsilon Uitgaven: Stripboek 'Newton in Nederland'

Dit artikel is gepubliceerd in NRC Handelsblad, 17 december 2009

De Leidse tentoonstelling NewtonMania brengt de wetten van Newton tot leven.

Vader zet een stevige zwarte pickup-truck op de elektrische racebaan. Zijn zoon plaatst een duidelijk lichter, rood racewagentje in de baan ernaast. Zoon drukt op een knop en beide auto’s schieten uit de startblokken. Ze racen tegen een steil hellende bocht op, zo eentje als bij een overdekte wielrenbaan. Eenmaal de bocht uit storten ze zich naar beneden. Spoedig duikt de volgende bocht op, maar deze helt niet omhoog. De pickup-truck vliegt uit de bocht, de racewagen redt het net wel. Vader en zoon slaan hardop aan het filosoferen over hoe dit nou komt.

De wetten van Newton geven het antwoord, maar dat hoeft de zoon nu nog niet te weten, gezien zijn leeftijd. De gisteravond geopende tentoonstelling NewtonMania in het Leidse Museum Boerhaave brengt die wetten tot leven. De racebaan staat in het Mania-deel van de tentoonstelling. In ruim twintig doe-het-zelfexperimenten kun je jezelf via katrollen omhoog takelen, voel je hoe moeilijk een draaiend wiel uit het lood is te slaan en zie je dat de ene kogelbaan de andere niet is, ook al zijn het begin- en eindpunt van de kogel gelijk. De mechanicaproefjes zijn omringd door trefzekere, bijna mechanische graffitikunst op de muren.

Verbazing over dit soort experimenten, gevolgd door de diepe wil om ze te begrijpen, daarmee begon de moderne natuurwetenschap. Niemand anders was daarvoor zo belangrijk als Isaac Newton. Weg met de oeverloze woordspelletjes van de vroegere natuurfilosofen, zo besefte Newton in de 17e eeuw. Glasheldere wiskunde en genadeloze experimenten, dat moest het fundament van de wetenschap zijn. In zijn eentje ontwikkelde hij een gloednieuwe wiskundige gereedschapskist, formuleerde drie universele mechanicawetten en sloeg een onverwachte brug tussen ronddraaiende planeten en vallende appels.

Zijn revolutionaire ideeën hadden decennia nodig om wortel te schieten en daarbij speelden Nederlandse hoogleraren begin achttiende eeuw een belangrijke rol. Daarover gaat het Newton-deel van de tentoonstelling NewtonMania. Willem ’s Gravesande liet apparaten bouwen om Newtons mechanica aan studenten uit te leggen. Herman Boerhaave bewonderde Newtons exactheid en brak een lans voor hem in zijn oratie. Hun inspanningen vinden we in twee Newtonzalen terug in originele instrumenten en boeken.

Newtons mechanica bereikte zelfs de achttiende eeuwse kermis en huiskamer, zo zien we. Twee prisma’s splitsen licht in alle kleuren van de regenboog en laten de kleuren vervolgens met elkaar versmelten tot wit licht. Een tafelplanetarium bracht de hemel in een rijke huiskamer letterlijk naar de aarde. Is er dan nog aandacht voor de theorie? Ja. Aan de muur hangt een serie kleurrijke glas-in-loodramen met daarop in woord en beeld het centrale gedachtegoed van Newton en zijn Nederlandse geestverwanten.

Ten slotte nog even terug naar het Mania-deel, maar nu naar de flipperkast. Flipperen met een lichte of een zware bal, het maakt toch echt verschil uit, zo laat een flipperexperiment zien. Eigenlijk kunnen we het universum zien als één grote flipperkast van bewegende en botsende deeltjes; van planeten en meteorieten tot moleculen en atomen − met dank aan Newton.

Informatie

De tentoonstelling NewtonMania is van 17 december tot en met 12 september 2010 te zien in Museum Boerhaave in Leiden.

Ter gelegenheid van de tentoonstelling verscheen ook het stripboek ‘Newton in Nederland’ van Peter FitzVerploegh, René Bergmans en Ad Maas (Epsilon Uitgaven).

Miniatuurlicht uit silicium geperst

Credit: AMOLF/Tremani

Dit artikel is gepubliceerd in NRC Handelsblad, 12 december 2009

Natuurkundigen van het FOM-instituut voor Atoom- en Molecuulfysica in Amsterdam en de Universiteit Twente hebben voor het eerst een elektrische plasmonenbron gemaakt: een bron van miniatuurlicht. Omdat ze hiervoor bestaande chiptechnologie gebruiken, is de bron eenvoudig en goedkoop. Tot nu toe werden plasmonen opgewekt met licht in complexe en dure laseropstellingen. De onderzoekers publiceerden hun resultaten in de online-editie van Nature Materials (6 december).

Plasmonen hebben alle eigenschappen van gewoon licht, maar planten zich alleen voort in de tweedimensionale wereld van een metaaloppervlak. Ze rollen als golven over de zee van vrije elektronen. Plasmonen hebben de bijzondere eigenschap dat ze typisch een tienmaal zo kleine golflengte hebben als gewoon licht van dezelfde frequentie. Wereldwijd onderzoeken fysici manieren om deze kleine golflengte te benutten om nog kleinere en snellere computerchips te maken. Nu nog rekenen computerchips via elektronen met nullen en enen, maar het zou theoretisch ook met plasmonen kunnen.

De fysici uit Amsterdam en Enschede maakten hun plasmonenbron uit een sandwich van twee dunne goudlaagjes met als vulling siliciumnanobolletjes in een spread van aluminiumoxide. De goudlaagjes zitten slechts twintig nanometer uit elkaar (een nanometer is een miljoenste millimeter). “Wanneer we een elektrische spanning aanbrengen op de sandwich”, vertelt onderzoeksleider en AMOLF-directeur Albert Polman, “rennen de vrije elektronen door de sandwich en botsen tegen de siliciumbolletjes. Daardoor raken de bolletjes in een hogere energie. Normaal zouden ze daarna gewoon licht uitzenden om hun energie kwijt te raken, maar omdat ze opgesloten zitten in de sandwich, gaan ze plasmonen uitzenden.”

Als mogelijke toepassing denkt Polman dat een elektrische plasmonenbron dienst kan doen als sensor in een lab-on-a-chip: een chip die snel en nauwkeurig kleine hoeveelheden moleculen detecteert voor de medische diagnose van bijvoorbeeld bloed. “Doordat plasmonen een kleinere golflengte hebben dan gewoon licht kun je er nog kleinere sensoren mee maken”, aldus Polman. “Bovendien kun je plasmonen sterker concentreren, waardoor de sensor ook gevoeliger wordt.”

Daarnaast kan een elektrische plasmonenbron een brug slaan tussen de wereld van de optica, met licht als informatiedrager, en de wereld van de elektronica, met elektronen als informatiedragers. Plasmonen kunnen gewoon licht in elektriciteit omzetten en andersom.

En weg is de angstige herinnering

Heb je een angstige herinnering? Dan kun je deze overschrijven met een veilige herinnering, als je het op het juiste moment doet. Dit hebben onderzoekers van de New York University aangetoond. Ze hebben laten zien dat een jaar later de angstige herinnering ook echt niet meer terugkomt. In het volgende filmpje leggen ze hun resultaten uit:

www.nature.com/nature/videoarchive/memory/index.html

Sterrenlicht mogelijke trigger voor ontstaan enkelhandig leven

Wim Noorduin bij zijn experiment. Foto: Dick van Aalst, Radboud Universiteit Nijmegen

Dit artikel is gepubliceerd in NRC Handelsblad, 7 november 2009

Al meer dan een eeuw staan scheikundigen voor het raadsel waarom het leven op aarde uit enkelhandige moleculen bestaat. Enkelhandige moleculen zien eruit alsof ze maar één kant opdraaien: ofwel linksom ofwel rechtsom. De ene vorm is het spiegelbeeld van de andere, net zoals de linkerhand het spiegelbeeld is van de rechterhand. Wanneer scheikundigen kunstmatig moleculen maken, dan ontstaan gewoonlijk beide vormen. Hoe kan het dan dat de aminozuren waaruit de eiwitten van ons lichaam zijn opgebouwd alleen maar linksom draaien?

Promovendus Wim Noorduin van de Radboud Universiteit Nijmegen heeft samen met collega’s aangetoond dat het licht van jonge sterren de trigger hiervoor kan zijn geweest (Nature Chemistry, 1 november 2009). Jonge sterren stralen circulair gepolariseerd licht uit, dat ofwel linksom ofwel rechtsom draait. Noorduin onderzocht experimenteel wat het effect van dit soort licht is op een oplossing van gemodificeerde aminozuren, waarvan de ene helft linksdraaiend is en de andere rechtsdraaiend. In de oplossing zijn vaste kristallen in evenwicht met de vloeistof.

Voor de gebruikte moleculen wordt linksdraaiend licht net iets meer geabsorbeerd door de rechtsdraaiende moleculen, en andersom. Zo zet linksdraaiend licht een reactie in gang waarbij er binnen een dag of drie net iets meer linksdraaiende kristallen dan rechtsdraaiende ontstaan. Om deze omzettingsreactie te versnellen, gebruiken de onderzoekers een truc die ze vorig jaar publiceerden: ze malen de kristallen fijn. Binnen enkele uren vormen zich dan alleen maar kristallen waarvan de moleculen dezelfde kant op draaien als het triggerlicht.

Het is speculeren of er op aarde ook ooit zo’n fijnmaalproces is geweest, vertelt Noorduin, maar het uitgroeien van de onbalans gebeurt ook zonder het fijnmalen, alleen duurt het dan veel langer. De natuur had die tijd, onderzoekers in een laboratorium natuurlijk niet. “Het verbazingwekkende”, besluit Noorduin, “is dat een zwakke lichtbron van circulair gepolariseerd licht al het kleine zetje kan geven waardoor aminozuren ofwel allemaal linksdraaiend worden, ofwel allemaal rechtsdraaiend. Het licht van jonge sterren is daarom een kandidaat voor de trigger van enkelhandig leven. Maar er zijn andere mogelijke verklaringen, bijvoorbeeld dat het alleen maar toeval is, of dat meteorietinslagen voor een onbalans hebben gezorgd.”

Zeepaardenstaartenkunst

Dit artikel is gepubliceerd in NRC Handelsblad, 31 oktober 2009

Wanneer je de naam Spidrohedron hoort, denk je misschien aan een dinosaurus. Maar dat is hij niet. Toch krab je je wel even achter de oren wanneer de Spidrohedron opeens voor je neus staat. Hij is zo groot als een volwassen mens, hij verroert zich niet en hij is geheel van hout.

Van welke kant je hem ook bekijkt, steeds lijkt hij je met een draaikolkbeweging naar binnen te zuigen. De Spidrohedron heeft acht van die grote draaikolken. Wanneer je goed kijkt, zie je dat elke draaikolk uit zes in elkaar gehaakte zeepaardenstaarten bestaat. Dat heeft zelfs dr. Zeepaard nog nooit gezien!

Elke zeepaardstaart bestaat volledig uit aan elkaar geplakte driehoeken. Niet zomaar driehoeken, maar alleen wat wiskundigen gelijkzijdige en gelijkbenige driehoeken noemen. De Hongaarse kunstenaar Dániel Erdély was de eerste die deze zeepaardstaart ontwierp. Hij noemde het een ‘spidron’, vanwege het spiraliserende uiterlijk. Maar hij wilde meer en groter. Hij zocht naar manieren om met een heleboel zeepaardenstaarten een groot kunstwerk te bouwen.

De Nederlandse kunstenaar en wiskundige Rinus Roelofs hielp bij die zoektocht. Roelofs berekende op de computer hoe ze de zeepaardenstaarten tot iets moois konden combineren. Zo ontwierpen ze samen de Spidrohedron. Een Hongaarse meubelmaker heeft het ontwerp tot een echt kunstwerk omgetoverd door 480 houten driehoeken aan elkaar te lijmen.

De Spidrohedron heeft een paar wonderlijke eigenschappen die je niet zo snel ziet, maar die je met wiskunde kunt bewijzen. Zo kun je hem geheel vouwen uit een vlak stuk papier. Dan moet je wel eerst weten welke driehoekjes je aan elkaar moet tekenen. Daarna kun je hem langs de lijntjes beginnen te vouwen. Zo krijg je een steeds kunstzinniger prop papier. Verder hebben Spidrohedronen nog iets geks. Je kunt ze op elkaar kunt stapelen zonder dat er tussenruimte overblijft. Dat is iets wat bijvoorbeeld met kubussen ook lukt, maar met bollen niet. Als je sinaasappels op elkaar stapelt, blijft er altijd tussenruimte over.

De natuur heeft zelf prachtige vormen gemaakt zoals schelpen met een spiraalvorm, maar nog nooit heeft iemand in de natuur een Spidrohedron gevonden. Voor zover we weten is de Spidrohedron zuiver mensenwerk. Hij bestaat dankzij de kunst en de wiskunde.

Info
De Spidrohedron maakt deel uit van de tentoonstelling over ‘Kunst en Wiskunde’ die nog tot en met 14 november te zien is in het Ruppertgebouw van de Universiteit Utrecht (Leuvenlaan 19, ingang Educatorium). Geopend van maandag tot en met vrijdag van 9.00 tot 18.00; toegang gratis. Op zaterdag 14 november organiseert de Stichting Ars et Mathesis op dezelfde locatie de jaarlijkse ontmoetingsdag over kunst en wiskunde.

Meer info: http://www.arsetmathesis.nl/

Geniaal kippengaas

Grafeen zou kunnen zorgen voor een ware elektronicarevolutie. Maar dan moeten we het materiaal wel eerst temmen.

Dit is een voorproefje van een artikel dat zal verschijnen in het komende nummer van KIJK.

Teken met potlood wat op papier en er is een kans dat je, zonder het te weten en zonder het te zien, een uniek flintertje materiaal hebt afgeschraapt: grafeen. Het is het eerste bekende materiaal van slechts één atoom dik en daarmee het dunste materiaal ter wereld. En het blijkt verrassingen te herbergen voor materiaalkundigen, fysici, chemici en 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 tekenen met een potlood. Meestal schraap je een heleboel plakjes tegelijk eraf, maar heel soms slechts een enkel plakje, en dan heb je grafeen.

Decennialang dachten natuurkundigen dat grafeen niet kon bestaan. Om de eigenschappen van grafiet beter te begrijpen, had de Canadees Philip Wallace in 1947 als eerste berekeningen uitgevoerd op basis van een éénatomig laagje. Het werd beschouwd als een theoretische vingeroefening: leuk om over na te denken, maar onrealistisch. Een grafietlaagje van één atoom dik zou immers zeker instabiel zijn: het zou ofwel uiteen vallen, oprollen of meteen chemisch reageren.

Als grafeen in grafiet zit, kun je het er dan niet heel voorzichtig vanaf schrapen, ook al blijft het maar heel even bestaan? De Amerikaan Philip Kim vond het de moeite waard om een poging te wagen. Begin 21e eeuw probeerde hij met dure hightech-apparatuur steeds dunnere laagjes van het potloodmateriaal af te schrappen. Met veel moeite kwam hij tot een soort pannenkoek van dertig grafeenlaagjes. Een hele prestatie, maar nog ver van grafeen. De doorbraak kwam in 2004. En niet dankzij dure apparatuur, maar dankzij een simpel stukje plakband.

Het volledige artikel vind je in KIJK november 2009. Dit nummer ligt vanaf eind oktober in de winkel.