Atomen zijn best ondeugend

Ik ben natuurkundige, maar vooral mama van twee schatten van kinderen, Lars en Margot. Lars gaat nu naar de eerste kleuterklas (fiere mama, check!). Hoewel ik mijn uiterste best doe, gebeurt het wel eens dat we pas op de speelplaats spurten als de bel al gaat. Het leuke daaraan is dan wel dat ik kan zien hoe al die kleuters plots in de rij gaan staan als de bel gaat. Uitgelaten en enthousiast staan ze in hun rij wat ter plaatse te dansen. Als het wat lang duurt, durft er al wel eens eentje terug weg te lopen om bij vriendjes in een andere rij te gaan spelen, of klimt een deugniet terug op een van de fietsjes. De juffen tellen dan ook hun kindjes, om te zien of het klasje volledig is. In zekere zin ben ik tijdens mijn onderzoek ook zo’n juf. Alleen tel ik geen kleuters, maar atomen.

Klein, maar fijn

Ik tel atomen die in rijtjes staan en die het soms ook moeilijk hebben om te blijven staan. Samen vormen tientallen van die atomen een heel klein nanomateriaal. Klein, maar des te meer intrigerend. Nanomaterialen kunnen werkelijk voor allerlei veelbelovende toepassingen ingezet worden. Van batterijen tot zonnepanelen, van zonnecrème tot de uitstoot van een auto. Op voorwaarde dat alle atomen braaf blijven staan.

In de uitstoot van een auto ontstaat het giftig gas koolstofmonoxide (CO) dat niet in de lucht terecht mag komen. Daarom wordt het eerst omgevormd naar koolstofdioxide (CO₂), met de hulp van een nanomateriaal. Als de atomen in dat nanomateriaal op de juiste plek zitten, kunnen ze op atomaire schaal een perfecte landingsplaats vormen voor de moleculen in het giftig CO gas. Daar kan het CO gas zich dan rustig combineren met zuurstof uit de lucht tot CO₂.

Als de atomen op de juiste plek zitten, vormen ze aan het oppervlak van het nanomateriaal ideale landingsplaatsen voor CO gas. Daar kunnen de CO moleculen rustig binden met zuurstof tot CO₂ gas.

Elk atoom telt

Een atoom meer of minder, kan een heel grote impact hebben. Als er een paar atomen ontsnappen of in de verkeerde rij gaan staan, zijn er helemaal geen landingsplaatsen voor de CO moleculen meer. Als het nanomateriaal te groot, of net te klein is, zal het ook niet optimaal werken. Als je een gouden nanomateriaal wat kleiner maakt bijvoorbeeld, kan het van kleur veranderen van pakweg blauw naar rood. Dat is heel anders - gelukkig maar - dan wat er gebeurt wanneer we onze trouwring laten verkleinen.

In de uitstoot van de auto is het bovendien erg warm. Een hoge temperatuur voor een nanomateriaal is zoals snoep in een kleuterklas. Als je de kleuters meer suiker geeft, kan je stilzitten wel vergeten, en zal er al eens makkelijker eentje gaan lopen. Zo ook met atomen. Hoe warmer, hoe vaker atomen van rij wisselen of zelfs proberen te ontsnappen.

Om zeker te zijn dat het nanomateriaal echt goed werkt, kijken we daarom eerst na in het lab of de atomen braaf zijn. Dat kan met een erg sterke microscoop, een zogenaamde elektronenmicroscoop. Zo’n microscoop is sterk genoeg om atomen te filmen, wat nog straffer is dan van thuis uit de kleuters op de speelplaats in beeld brengen. Aan de hand van zo’n filmpje kunnen collega wetenschappers de manier waarop ze het nanomateriaal maken verder verfijnen.

Ontsnappingen voorspellen

Elke pixel in zo’n filmpje is eigenlijk een getal, dat ik kan gebruiken in een wiskundig model. In mijn onderzoek heb ik zo’n model ontwikkeld dat op basis van een filmpje van ondeugende atomen kan voorspellen of de kans op ontsnappingen groot is of niet.

Dat model is mijn wiskundige benadering van de werkelijkheid. Je leest het juist, benadering. Men zegt wel eens dat alle modellen fout zijn, maar sommige nuttig zijn. Tijdens mijn doctoraat heb ik daarom grondig onderzocht of mijn model er betrouwbaar in slaagt om ontsnappingen te voorspellen. Dat heb ik gedaan door zowel computersimulaties als filmpjes van echte nanomaterialen te analyseren.

Zo heb ik aangetoond dat mijn model andere wetenschappers of ingenieurs wel degelijk kan helpen om na te kijken of hun nieuw veelbelovend nanomateriaal zich braaf zal gedragen in de toepassing die ze voor ogen hebben, of het nu gaat om de katalysator in je auto of de batterij in je gsm.

Annelies De wael dingt mee naar de Vlaamse PhD Cup 2022. Ontdek meer over dit onderzoek op www.phdcup.be.