Er bestaat een wereld, veel kleiner dan de onze, waar atomen zich verstoppen. Tijdens haar doctoraat ging fysica Annelies De wael de uitdaging aan om alle atomen te vinden in een nanodeeltje (lees: een hoopje atomen dat zich samen verstopt). Soms spelen de atomen vals, en veranderen ze van verstopplaats, terwijl we er naar kijken! 'Hoe ik dit spelletje toch kan winnen? Met statistiek!'
Atomen zijn klein. Héél klein. Als je een atoom zou vergelijken met een suikerklontje, dan kan je net zo goed één enkel suikerkorreltje vergelijken met pakweg de Antwerpse kathedraal! Kan je het je een beetje inbeelden? Ik ook niet helemaal.
Zet zo’n honderd tot tienduizend atomen samen, en je hebt een nanodeeltje. Eén van de talrijke toepassingen van zo’n nanodeeltje, is dat je er een heel erg goede katalysator mee kan maken. Zo kan het bijvoorbeeld giftig koolstofmonoxide (CO) helpen omzetten naar koolstofdioxide (CO2) in de uitstoot van je auto, zodat er geen giftige gassen in onze lucht komen. Of het kan helpen om CO2 naar bruikbare grondstoffen om te zetten, om het broeikaseffect tegen te gaan. Of dat lukt, hangt af van hoe het nanodeeltje eruit ziet. De atomen zullen zich achter elkaar proberen verstoppen door verschillende rijen te vormen. Om te achterhalen welk nanodeeltje ik aan het bekijken ben, moet ik dus achterhalen hoeveel atomen er precies zijn, en met hoeveel ze in een rijtje zitten. Enkele atomen extra op de juiste plaats kunnen er voor zorgen dat het nanodeeltje veel beter werkt!
Daarom speel ik dus verstoppertje met atomen. Ik wil elk atoom kunnen vinden! Hoe ik dat doe? In mijn lab, dat eigenlijk niet meer is dan een computer en een schriftje om berekeningen in neer te kribbelen. Al sinds de start van mijn studies Fysica – en om eerlijk te zijn ook al wel eerder – heb ik een voorliefde voor het meer theoretische rekenwerk. In het lab kon ik wel degelijk experimenten tot een goed eind brengen, maar nog veel leuker vond ik de meer abstracte rekenoefeningen. Ik ben dan ook een wetenschapper zonder witte jas.
Binnenkijken in de nanowereld
Wie zegt verstoppertje spelen, wil ook graag zien waar de deelnemers van het spel zich bevinden. Atomen zijn te klein om zomaar te zien. Ze zijn nog kleiner dan ons fameuze coronavirus. We moeten dus een manier vinden om in die nanowereld van atomen te kunnen binnengluren.
Hier komen mijn collega’s dan in het spel. In de onderzoeksgroep waar ik mijn doctoraat gedaan heb (EMAT, Universiteit Antwerpen) werken er ook wetenschappers die wél houden van de charmes - alsook obstakels - die bij experimenteel onderzoek horen. Eerst maken zij een staal met nanodeeltjes. Die worden niet atoom per atoom opgebouwd, omdat dit veel te lang zou duren, maar eerder gemaakt door een groot materiaal klein te maken. Een beetje zoals je met vijzel en stamper de kruiden in je keuken te lijf gaat. Dan plaatsen ze de nanodeeltjes op een houder die ze – voorzichtig en liefst met een vaste hand – in de microscoop steken om er naar te kijken. En dan is het spannend afwachten. Wat hebben we nu eigenlijk gemaakt?
De microscoop – waar je mij in de foto bovenaan dit artikel voor de gelegenheid naast ziet staan glunderen – schijnt niet met licht, maar met elektronen op de nanodeeltjes. Die elektronen zijn een beetje gek, want het zijn tegelijk deeltjes en golven. Als je ze beschrijft als golven, blijkt dat ze een veel kleinere golflengte hebben dan het licht, waardoor je er ook mee naar kleinere dingen kan kijken. Zo klein zelfs, dat je er de individuele atomen mee kunt bekijken! Om die atomen te kunnen zien, moeten mijn collega’s eerst de microscoop perfect afregelen. Dan gaan ze zoeken naar een nanodeeltje dat ze duidelijk kunnen bekijken, liefst zonder dat het kapot gaat door de vele elektronen die ze erop afvuren. En dan moet de houder nog netjes gedraaid worden, zodat we de rijtjes atomen in het nanodeeltje netjes van bovenaf in beeld kunnen brengen. Vanuit mijn lab, comfortabel op mijn bureaustoel (of soms vanop mijn zitbal om mijn spieren te trainen: geen overbodige luxe als mama van 2!) vergeet ik soms wel eens hoe ontzettend maf dat eigenlijk is, dat ze er toch in slagen om dan een prachtige foto van atomen in een nanodeeltje te maken. Een straf staaltje experimentele wetenschap!
Een liefdesverklaring aan de statistiek
Ik analyseer zo’n foto’s, en dat doe ik met mijn geliefde statistiek. Cheesy, ik weet het. Ik ben echt helemaal fan van statistiek. Daarmee kan ik die prachtfoto’s met atomen vertalen van een mooi plaatje naar bruikbare info. Daarvoor beschrijven we hoe de foto’s eruitzien in wiskundige formules – of toch zo goed mogelijk.
Ik gebruik statistiek, omdat er heel wat onzekerheden gepaard gaan met mijn zoektocht naar die atomen. De foto is een beetje te vergelijken met een reliëfkaart, waarbij een hogere intensiteit in het beeld overeenkomt met een ‘hoger’ stukje van het nanodeeltje. Dat betekent dat er meer atomen achter elkaar verstopt zitten.
Dat is geen één op één relatie, en daarom beschrijven we de intensiteiten met een Gaussische verdeling. Die typische klokvormige curve is echt dé go-to verdeling voor elke statisticus. En redelijk geschikt in dit geval. Uit die Gaussen kunnen we voor elke rij atomen 1 getal halen dat gelinkt is aan het aantal atomen.
Daar zitten ze!
Ok, dan zijn we er, nee? Gewoon even kijken hoe groot elk getal is, toewijzen aan een aantal atomen in de rij en klaar. Jammer genoeg niet, want er is altijd ruis. Weer zoiets waar de statistiek handig voor kan zijn! We moeten dus die getallen voor elke rij atomen groeperen per zelfde soort. En dan zijn we er inderdaad. Toch als alle atomen stilletjes blijven zitten op dezelfde plek.
Als we een filmpje maken, zien we dat atomen wel eens van verstopplaats durven veranderen. Nog één extra ingrediënt in het model dus, en dat is hoe vaak die atomen valsspelen. Nu zijn we er, echt. Nu kunnen we elk atoom vinden, ook al verandert het van verstopplaats terwijl we het nanodeeltje filmen.
Op die manier kan ik dus nu bekijken welk nanodeeltje er gemaakt werd door mijn collega’s en of het stabiel is en dezelfde vorm blijft behouden doorheen de tijd. Daarmee kunnen andere wetenschappers dan aan de slag om nieuwe materialen te ontwikkelen die precies de juiste eigenschappen hebben die ze op het oog hebben. Nog betere katalysatoren bijvoorbeeld, die er écht goed in slagen om de klimaatverandering mee aan te pakken. Productontwikkeling op atomaire schaal.
Op die manier heeft mijn doctoraat zijn steentje bijgedragen aan een mooiere wereld, waar ik me als wetenschapper – zonder witte jas – toch wel goed bij voel!
