Mikhail Katsnelson: ‘Een mooie theorie is niks waard zonder test in het lab’

De Nobelprijs voor Natuurkunde ging in 2010 naar pioniersonderzoek naar grafeen. Mikhail Katsnelson, Russisch onderzoeker aan de Universiteit van Nijmegen, had best de derde laureaat kunnen zijn, naast André Geim en Novoselov. Dit jaar wint hij wel de zogenoemde Nederlandse Nobelprijs: de Spinozapremie, ter waarde van 2,5 miljoen euro.

De Nederlander Andre Geim (51) en de Brit Konstantin Konstantin Novoselov (36) – beiden van Russische origine en werkzaam aan de University of Manchester – kregen drie jaar geleden de hoogste wetenschappelijke onderscheiding voor baanbrekend onderzoek naar grafeen, een materiaal uit koolstof dat nog het best omschreven wordt als microscopisch klein kippengaas. Geim en Novoselov trokken in 2004 met een stukje scotchtape een superdun schilletje grafiet van een potloodpunt. Het schilletje – grafeen genoemd – heeft uitzonderlijke eigenschappen. De elektrische geleidbaarheid is net zo goed als die van koper, de warmtegeleiding is ook prima, en grafeen is uitermate flexibel en transparant. Op macroscopische schaal zou het het sterkste materiaal op aarde zijn: grafeen kan ettelijke miljoenen keren zijn eigen gewicht dragen.

Mikhail Katsnelson, theoretisch vastestoffysicus aan de Radboud Universiteit van Nijmegen, werkt sinds 2004 met Geim samen en was zowel door Geim als Novoselov uitgenodigd om in Stockholm mee champagne te drinken. Dit is het interview dat Eos in 2010 met Katsnelson had, vlak na de bekendmaking van de Nobelprijs.

Grafeen heet een wondermateriaal te zijn, vanwege de ontelbaar mogelijke toepassingen in evenveel domeinen, van chiptechnologie over transport tot ruimtevaart. Van welke toepassing droomt u?

‘Eerst en vooral zijn er twee soorten toepassingen: zij die niet erg spectaculair ogen maar die we over enkele jaren al mogen verwachten; en zij die eerder futuristisch lijken, maar waarvoor nog heel wat obstakels overwonnen moeten worden. In de eerste categorie vind ik flexibele en plooibare touchscreens een hele mooie toepassing. Lcd-schermen kunnen met een laagje grafeen worden uitgerust – dat indiumoxide vervangt – waardoor je een touchscreen krijgt.’

‘In de tweede categorie zie ik grafeen als het ultieme halfgeleidermateriaal om microchips op te bouwen, waardoor computers nog veel sneller zouden kunnen worden. Grafeen zou dan silicium vervangen als basisgrondstof in de chipindustrie. Maar zoals ik al aangaf, moeten er in dit geval nog een aantal fundamentele problemen worden opgelost.’

Grafeen zou ook uitermate stevig zijn, en bovendien – vreemd genoeg – transparant. Stel: ik sta voor een mansbreed ‘scherm’ van grafeen. Kan ik er doorheen wandelen? Zou ik het grafeen kunnen zien?

‘Je zou er doorheen raken, maar met enige moeite. Grafeen is uitermate flexibel. Het breekt pas bij een vervorming van 15 tot 20 procent. Vele gewone materialen breken al bij een deformatie van 1 procent. Wat de transparantie betreft: het grafeen laat veel licht door, maar niet alles. Dat is eigenlijk een heel interessante eigenschap. De absorptiecoëfficiënt voor licht bedraagt bij grafeen 2,3 procent. Het bijzondere is dat dit een universele natuurconstante is – dus onafhankelijk van het materiaal zelf. Wat je zou zien is een licht contrast, een soort onwerkelijk, half aanwezig scherm.’

Toen u vernam dat de Nobelprijs naar Geim en Novoselov ging, dacht u toen niet heel even dat u met hen een mooi drietal zou hebben gevormd? Want het had gekund: u als derde winnaar. Niet?

‘Eerlijk gezegd denk ik dat ik wel enige kans maakte. Maar hoe groot die kans precies was, zal ik nooit weten. De toekenningsprocedure wordt geheim gehouden, en de notulen van de vergaderingen van het comité mogen pas over vijftig jaar worden vrijgegeven. Het blijft een hoop speculatie, die Nobelprijs. Ook nadat hij is toegekend.’

‘Als de Nobelprijs naar grafeenonderzoek moest gaan, was het wel duidelijk dat Geim en Novoselov hem verdienden. Zij waren het die in 2004 met hun publicatie in Science het vakgebied opengooiden. Naast mij zijn er echter nog wel een paar mensen die belangrijke bijdragen aan het onderzoek hebben geleverd. Ik denk dat – als men per se een derde laureaat wilde – de keuze heel moeilijk was geweest.’

Grafeen zou onder meer erg plooibare touchscreens kunnen opleveren.

U bent zelf theoretisch natuurkundige. Geim en Novoselov zijn experimentalisten pur sang. Kunt u goed met hen samenwerken?

‘Jazeker. Het onderzoek naar grafeen is een voorbeeld van een geslaagde kruisbestuiving tussen experimentele en theoretische fysica. Een theoreticus kan allerlei modellen ontwikkelen, maar als hij ze niet kan testen in het laboratorium, heeft hij er niets aan. Ik geef er de voorkeur aan zo snel mogelijk mijn modellen te verifiëren aan de realiteit.’

‘De ‘ontdekking’ van grafeen is trouwens een mooie illustratie van hoe wetenschap dient te gebeuren – interessant ook voor wetenschapsfilosofen. Vijftig à zestig jaar geleden bestudeerden theoretici grafeen al als fysisch concept. Maar het kon pas zes jaar geleden in het lab geproduceerd worden. Sindsdien hebben wij, theoretisch natuurkundigen, een enorme vooruitgang geboekt, net dankzij experimentalisten als Geim en Novoselov. Fysica blijft toch grotendeels een experimentele wetenschap.’

Doet u daarmee de kosmologie en de astrofysica, die voornamelijk afhangen van waarnemingen en theoretische modellen, geen onrecht aan?

‘Ik zeg alleen dat het er in domeinen zoals de astrofysica, de kosmologie, maar ook in de hoge-energiefysica (de natuurkunde van de elementaire deeltjes, red.) geheel anders aan toe gaat. De relatie tussen theorie en experiment is daar veel minder uitgesproken. Dat komt omdat experimenten in deze domeinen vaak heel duur zijn: je hebt enorme deeltjesversnellers nodig (zoals de Large Hadron Collider in CERN), satellieten, grote telescopen ... Vaak werkt men tien jaar aan een experiment voor men resultaten heeft. Vervolgens gaat men deze gedurende de volgende twintig jaar analyseren. Daardoor kunnen theoretici in die domeinen naar hartelust spectaculaire modellen en theorieën lanceren die weinig kans maken ooit aan de natuur te worden getoetst.’

U doelt op de snaartheorie ...

‘Onder andere, ja. Ik verdenk snaartheoretici er trouwens van dat ze nog niet eens de moeite nemen om uitspraken te doen die experimenteel bevestigd of weerlegd kunnen worden. Dat is in mijn vakgebied, de vastestoffysica, helemaal anders. Hier is het de gewoonte dat we de dingen die we onderzoeken, min of meer begrijpen. Daarom ben ik zo blij met deze Nobelprijs: hij vormt een grote erkenning voor ons vakgebied als een volwassen wetenschappelijk domein. En ik zie het als een goedkeuring voor een zeldzamer wordende, eerder ouderwetse manier van fysica bedrijven.’

Snaartheoretici nemen niet de moeite om uitspraken te doen die experimenteel bevestigd kunnen worden’

‘Toen ik nog in Zweden woonde, ging ik geregeld naar de voordrachten van de Nobellaureaten. Dat waren vaak winnaars uit de hoge-energiefysica en de astrofysica. Interessante en bijzondere natuurkunde allemaal, maar mij doet dit moderne onderzoek toch sterk denken aan de bedrijfswereld. De topwetenschappers die met de Nobelprijs aan de haal gaan, zijn in hun functie vaak meer manager dan onderzoeker. Ze staan aan het hoofd van teams van tientallen tot zelfs honderden fysici. Naast leiding geven moeten ze ook onderhandelen met overheden, waardoor er vaak weinig tijd overblijft voor écht wetenschappelijk onderzoek.’

Dat is helemaal anders in úw vakgebied?

‘Grafeenonderzoek gebeurt met relatief goedkope experimenten, in groepjes van maximaal vijf mensen. Vaak werk je zelfs nog met je blote handen, zoals een echte ambachtsman. Dit is het soort onderzoek waar ik van hou, het is de wetenschap van vroeger, op menselijke maat gesneden. Ze doet me denken aan de gouden tijden van de fysica in de jaren 1920-‘30 (toen de kwantummechanica werd ontwikkeld, red.).’

‘Ik vind het erg bemoedigend dat ons onderzoek vandaag nog jonge mensen aantrekt. Bij ons ben je niet één klein deeltje in een immens geheel. Het voordeel van in kleine onderzoeksgroepen te werken, is bovendien dat je goedkoop kan werken en je ideeën vrijelijk de loop kan laten. En Geim en Novosolev hebben bewezen dat je ook zo wereldberoemd kunt worden.’

Als je hun leeftijden samentelt, zijn Geim en Novoselov nog altijd jonger dan vele van hun voorgangers. Bestaat het gevaar niet dat ze op hun lauweren zullen rusten?

‘Dat gevaar bestaat altijd. Andre (Geim, red.) zal echter gewoon blijven doorwerken, daar ben ik van overtuigd. Ik ben er zeker van dat we nog van hem zullen horen. Het is waar dat voor menige laureaat het leven na de Nobelprijs niet echt de verwachtingen inloste. Sommigen stopten met werken en kwamen in een zwart gat terecht. Anderen werden gek omdat ze zich verplicht voelden nóg eens resultaten af te leveren van hetzelfde niveau als die waarvoor ze hun Nobelprijs hadden gekregen.’

‘De beste manier om ermee om te gaan, is doen alsof er niks gebeurd is. Andre heeft in zijn eerste interviews al aangegeven dat hij gewoon wil blijven werken in het onderzoek naar grafeen. En ik geloof hem, want ik had hem al aan de telefoon in verband met een artikel waaraan we vóór de toekenning bezig waren, en dat hij na die hectische oktoberweek weer heeft opgepikt. Hij laat die Nobelprijs zijn wetenschappelijke carrière absoluut niet verstoren.’

Net als Geim en Novoselov bent u geboren en getogen in de Sovjet-Unie. U bent echter langer in Rusland gebleven dan de meeste van uw collega’s.

‘De meeste wetenschappers verlieten Rusland in de woelige periode van het uiteenvallen van de Sovjet-Unie. Andre vertrok in 1990. Ik bleef omwille van mijn familie. Ik reisde wel veel naar het buitenland voor korte onderzoeksopdrachten. In 2001 ben ik dan verhuisd naar Uppsala in Zweden. En in 2004 kreeg ik een uitnodiging om hier in Nijmegen te komen werken.’

Waarom koos u voor Europa, en niet voor de VS?

‘Omdat ik de Europese manier van leven en werken verkies boven de Amerikaanse. Eigenlijk was het in de VS veel gemakkelijker om als wetenschapper werk te vinden. Er zijn veel meer universiteiten, er is veel meer geld voor wetenschappelijk onderzoek ... Sommigen werken liever in de VS, anderen – zoals ik – in Europa.’

Kregen Geim en Novoselov eigenlijk felicitaties vanuit Rusland? Het blijven voor een groot stuk toch Russische wetenschappers.

‘Ik heb de Russische media na de toekenning een tijdje gevolgd op het internet, maar ik ben ermee opgehouden omdat ik zoveel gezwets las. Het is waar dat Geim, Novoselov en ik in zekere zin nog behoren tot de Russische wetenschappelijke school. We hebben immers in Moskou gestudeerd, en die opleiding was van een bijzonder hoog niveau. Als men de Nobelprijs in de media nu gebruikt om te benadrukken dat het wetenschappelijk onderwijs in Rusland toén heel goed was – zeg dertig tot twintig jaar geleden – dan mag dat van mij. Maar ik las iets heel anders: dat Geim en Novoselov hadden gewonnen omdat het wetenschappelijk onderricht in Rusland vandáág op punt staat. Dat is absoluut niet waar. Het huidige wetenschappelijke establishment in Rusland heeft geen enkele verdienste in de toekenning van de Nobelprijs.’

‘Wetenschap in Rusland is niet meer wat het geweest is. Beleidsmakers denken te veel als managers. Voor hen is het slechts een kwestie van geld: de problemen verdwijnen vanzelf als er maar genoeg geld tegenaan gegooid wordt. Ze begrijpen niet dat er onoverkomelijke problemen zijn die de bloei van de Russische wetenschap in de weg staan: een gebrek aan goede infrastructuur, aan een open en creatieve werkomgeving, dingen die in Europa en de VS wel aanwezig zijn.’

Was het in de Sovjet-Unie dan zoveel beter?

‘Toen was de situatie erg artificieel. Er bestonden bijvoorbeeld maar weinig kanalen om jezelf te bewijzen en op te klimmen tot een ambitieuze functie in de wetenschap. Je werd sterk aangemoedigd om bijvoorbeeld wiskunde en fysica te studeren, dat wel. IJverige geschiedenis- of filosofiestudenten zag men dan weer veel minder graag – waarschijnlijk om te vermijden dat die de maatschappijstructuur in vraag zouden stellen. Ik wil dus absoluut niet terug naar die tijd.’

De Russische wetenschap was vroeger wereldvermaard omwille van haar briljante theoretische natuurkundigen. Hoe is het vandaag gesteld met die reputatie?

‘Een aantal wetenschappelijke tradities in Rusland – zoals een sterke theoretische school in de natuurkunde – is min of meer behouden tot op de dag van vandaag. Als men daarin zou investeren en bijvoorbeeld internationale samenwerking zou aanmoedigen, is er kans op snelle verbetering. Er zijn nog heel wat theoretische fysici in Rusland, maar van een echte gemeenschap is geen sprake meer. Velen zijn inmiddels ook vertrokken. Je hebt een bepaalde kritische massa nodig om van een echte, functionerende wetenschappelijke gemeenschap te kunnen spreken. Dat er in Rusland, in verhouding tot andere landen, vroeger zoveel theoretisch natuurkundigen rondliepen, was heel bijzonder. Maar het was ook een onnatuurlijke situatie, denk ik. In een normale wereld zijn er meer experimentalisten dan theoretici.’ (Uit Eos-magazine, nr. 12, december 2010)