Natuurlijk!
‘De toekomst van zonnepanelen’
‘Negatieve breking van licht’
‘Kracht uit het niets’
‘Opslagplaatsen voor energie’
‘De Fysica van een virus’
‘De innige band tussen elektriciteit en magnetisme’
‘Onze botten vechten tegen osteoporose’
‘De golf van de toekomst’
Natuurlijk! Dit is de eerste keer dat 'Natuurlijk!' wordt uitgebracht. In het teken van het vak Wetenschapscommunicatie werd aan ons, de tweedejaars fysica, de opdracht gegeven om elk een populariserend artikel te schrijven dat in verband staat met onze studies. Ondanks het feit dat alles verwant houdt met natuurkunde, denk ik toch dat we erin geslaagd zijn om u een gevarieerd aanbod van onderwerpen te schenken. Zo is er enerzijds artikel dat handelt over wat de oorzaak is van osteoporose en anderzijds een artikel waarin we kijken naar de toekomst van computerchips. Voor de eerste keer worden deze artikels gebundeld in dit magazine. 'Natuurlijk!' kwam tot stand door het bundelen van al onze krachten en te werken als een ware redactie. Zo wil ik hier mijn dank uiten aan Sebastiaan en Balder die voor de lay-out gezorgd hebben en Marieke, Nathalie, Celine, Michiel en Bram die de artikels op punt hebben gesteld. We hopen toch dat u kunt genieten van het lezen van onze 'Natuurlijk!' en dat hiermee dit experiment goed geslaagd en voor herhaling vatbaar is. Jens Goemaere, hoofdredacteur.
Inhoudstafel ‘Opslagplaatsen voor energie’ ‘De toekomst van zonnepanelen’ ‘De golf van de toekomst’ ‘Negatieve breking van licht’
‘Onze botten vechten tegen osteoporose’ ‘De Fysica van een virus’ ‘De innige band tussen elektriciteit en magnetisme’ ‘Kracht uit het niets’
Opslagplaatsen voor energie Elke minuut van de dag speelt energie een belangrijke rol in het leven. Het is onmogelijk om ons een leven zonder energie voor te stellen. Het is dus noodzakelijk dat verschillende mechanismen, met name de batterij en de condensator, vergeleken worden om deze energie zo efficiënt mogelijk op te slaan.
Apparatuur om energie op te slaan is onmisbaar. De twee meest bekende, en meest gebruikte, zijn de batterij en de condensator. Beide hebben hun eigen samenstelling, hun eigen werkwijze, hun eigen eigenschappen en dus hun eigen toepassingen. Aan de hand van het gebruikte materiaal proberen onderzoekers de optimaalste omstandigheid te creëren. Assistent van professor Yi Cui van de Universiteit Standford verklaart: "Theorie, praktijk en simulaties leveren inzicht in mechanismen, voorspellen reacties, identificeren materiaal en leiden tot experimenten." Via de werking van beide mechanismen wordt op zoek gegaan naar de min- en pluspunten. Op deze manier kan geopteerd worden voor de batterij of de condensator. Naast de individuele werking kan ook de combinatie gebruikt worden, op deze manier vullen beide elkaar aan.
Energieopslag in een batterij De batterij bestaat uit een positieve elektrode (kathode), een negatieve elektrode (anode) en een elektrolyt. Deze drie onderdelen bepalen de karakteristieken van de batterij. De elektrolyt zorgt voor de geleidbaarheid van de ionen. Tussen de anode en de kathode bevindt zich een separator, dit om kortsluiting te voorkomen. Uitwendig bevindt zich ook een circuit waar de elektronen zullen vloeien, deze zorgen uiteindelijk voor de gewenste stroom. De werking van een lithium-ionen-batterij wordt van dichterbij bekeken aangezien deze een hoge energiedichtheid hebben. Dit duidt de hoeveelheid potentiële energie aan die kan opgeslagen worden. Ze worden bijvoorbeeld in mobiele telefoons en in laptops gebruikt. De batterij kan opgeladen worden, maar ook ontladen worden. Beide processen gebeuren aan de hand van chemische reacties, waarbij chemische energie wordt omgezet in elektrische energie.
Indien de batterij ontladen wordt, verlaten Liionen de anode en verplaatsen zich, door de elektrolyt, naar de kathode. Dit komt doordat de anode geoxideerd is. Op dat moment vloeien elektronen, via het uitwendig circuit, naar de kathode toe. Op deze manier wordt thermodynamisch een zo gunstig mogelijke toestand bekomen. Deze elektronen zorgen voor de nodige elektrische stroom. Wanneer de batterij opgeladen wordt, vindt het omgekeerde proces plaats, zie onderstaande figuur.
De elektrochemische condensator wordt dan ook wel eens de elektrische dubbele-laag condensator genoemd. De separator tussen de twee elektroden is opnieuw aanwezig om kortsluiting te voorkomen. De capaciteit van deze condensator wordt bepaald, zoals bij de batterij, door de eigenschappen van de elektroden en elektrolyten. De hoeveelheid lading die opgeslagen kan worden is evenredig met de oppervlakte van de anode en de kathode.
“De resultaten gewonnen via verschillende studies verhelderen de kennis van nieuw materiaal. Dit zal nieuwe toepassingen in verband met energieopslag bieden.” Energie of vermogen? Energieopslag in een condensator
Een elektrochemische condensator is een condensator die gebruikt wordt om energie op te slaan. Dit gebeurt via het opslaan van ladingen. De elektrochemische condensator bevat, net zoals de batterij, twee elektroden (anode en kathode) en een elektrolyt. De elektrolyt bevat ionen. Wanneer de condensator opgeladen wordt, zullen deze ionen aangetrokken worden tot de elektroden. Hierdoor ontstaan twee lagen van ladingen, zowel aan de anode als aan de kathode, zoals in de figuur hieronder.
Het voordeel aan de batterij is de hogere capaciteit: er is meer opslagplaats dan in een condensator. De condensator heeft dus een lage energiedichtheid (het potentiaalverschil is dus kleiner). Door de chemische reacties in de batterij duurt het opladen beduidend langer dan van een condensator. Een condensator heeft slechts enkele seconden nodig, terwijl het opladen van een batterij minuten in beslag neemt. Een batterij zal bovendien bij elke cyclus de structuur van het mechanisme aantasten. Hierdoor neemt de capaciteit van de batterij af en dient deze regelmatig te worden vervangen. Bovendien wordt de theoretische energie niet altijd bereikt. Er treedt energieverlies op waardoor wetenschappers op zoek gaan naar het gebruik van katalysatoren. Bovendien is het vermogen van een batterij veel kleiner dan het vermogen van de condensator. Zo wordt
deze laatste bijvoorbeeld gebruikt in liften. Een batterij wordt eerder in een gsm of in een laptop teruggevonden. Voor beide opslagapparaten geldt dat de veiligheid afhangt van de gebruikte chemische samenstelling in de anode, kathode en elektrolyt. Hoe stabieler het volledige proces gebeurt, hoe veiliger de werking. Hiernaast dient men ook rekening te houden met de kosten voor een bepaalde stof. De prijzen hiervan kunnen heel uiteenlopend zijn.
Rijden met batterij en condensator
Indien de toepassingen van de batterij en de condensator bestudeerd worden, moet rekening gehouden worden met enkele aspecten om de toepassing zo efficiënt mogelijk te maken. De mogelijke hoeveelheid opgeslagen energie, de sterkte van de opgeslagen energie, de snelheid van het op- en ontladen en tenslotte de levenscyclus van het opslagmedium bepalen die efficiëntie. Een toepassing waarbij beide opslagmogelijkheden worden gebruikt, is de hybride auto. In de hybride auto vullen de batterij en de condensator elkaar perfect aan. De condensator speelt de belangrijkste rol, maar de batterij is in dit proces (voorlopig) nog steeds een onmisbaar gegeven. De batterij heeft een grote energieopslag, dit is belangrijk voor de mogelijk rijafstand van de auto. Het nadeel aan deze batterijen is de laadtijd, de afname van de kwaliteit bij vele op-en ontlaadcycli en de kleine opname van de energie. Hiervoor springen de condensatoren bij. Wanneer de auto versnelt of remt, worden pieken (negatieve en positieve) in de energietoevoer verkregen. De condensator vangt deze pieken op waardoor de batterij minder wordt belast
en waardoor de levensduur toeneemt. Zowel de batterij als de condensator hebben elkaar nodig. Een condensator kan, momenteel, niet genoeg vermogen genereren om zonder batterij te werken. Energie is onmisbaar in het leven, en dus is het belangrijk om die energie zo efficiënt mogelijk op te slaan. John B. Goodenough van de Universiteit van Texas bevestigt: "De resultaten gewonnen via verschillende studies verhelderen de kennis van nieuw materiaal. Dit zal nieuwe toepassingen in verband met energieopslag bieden." Deze efficiëntie staat nog steeds centraal in onderzoeken, en evolueert dus nog steeds. Zowel de batterij als de condensator kunnen toegepast worden om energie op te slaan. Beide manieren hebben vooren nadelen. Aan de hand van het gewenste resultaat, wordt de batterij of de condensator gebruikt. In sommige specifieke gevallen worden beide toestellen gecombineerd, op deze manier vullen de voor-en nadelen van de verschillende toestellen elkaar aan om zo een optimale efficiëntie te verkrijgen.
Nathalie Mertens
bandgap
JENS GOEMAERE
Er gebeurt iets heel eigenaardig wanneer een elektromagnetische golf (een lichtgolf) zich over het oppervlak van een metaal beweegt. Op het eerste gezicht lijkt het erop dat er maar twee actoren zijn in dit verhaal, de golf en het metaal. Het feit dat dit alles zich aan de rand van het metaal afspeelt zorgt er echter voor dat de elektromagnetische golf ook nog contact heeft met de materie buiten het metaal. Deze golf voelt dus de invloed van de elektronen in het metaal en ook het effect van de andere stof die tegenover het metaaloppervlak ligt. De golf moet zich dus voortbewegen in een sandwich van twee verschillende laagjes. Dit fenomeen waarvan het gedrag een mix is van oppervlaktelading en een elektromagnetische golf noemt men een oppervlakte plasmon golf (Eng. surface-plasmon of SP). In 1957 voorspelde R.H. Ritchie als eerste het theoretisch bestaan van deze SPgolven. De interesse voor dit type golven is sindsdien lang niet meer puur academisch door de mogelijke toepassing in verscheidene domeinen: data opslag, kwantum optica, spectroscopie en zelfs geneeskunde. Via SP-golven kan men bijvoorbeeld nauwkeurige biosensoren maken die
dan bepaalde chemische verbindingen in ons lichaam kunnen detecteren. Wanneer zo'n chemische stof zich aan de rand van de biosensor bevindt, kunnen er immers nieuwe soorten SP-golven over de sensor gaan. Ook in de computerindustrie is er een grote interesse in SP-golven omdat zij aan de bron kunnen liggen van een nieuwe generatie snellere computers. REKENWONDER
In onze hedendaagse maatschappij is de computer bijna onontbeerlijk geworden. Dit omdat het antwoord biedt op een fundamentele vraag van vereenvoudiging "Hoe verkrijg ik, op een snelle en correcte wijze, een automatisering van een bepaald proces?". Charles Baggage was één van de eerste personen die op deze vraag een praktisch antwoord formuleerde met zijn concept van een mechanische computer die diende om veeltermen te evalueren. Deze machine was toen eigenlijk niets meer dan een grote verzameling tandwielen en plaatjes. Een volgende grote stap richting de hedendaagse computer was de constructie van ENIAC (Electronic Numerical Integrator And Computer), de eerste programmeer-
De ENIAC werd door het Amerikaanse leger ontwikkeld om tijdens de oorlog snel trajecten van raketten te kunnen bepalen. Zulke berekeningen kosten een menselijke rekenaar al snel twintig uur werk. In minder dan een minuut had de ENIAC dit klusje echter al geklaard. De voornaamste circuitcomponenten die men toen had waren vacuümbuizen, deze zorgden echter ook voor de grote omvang van deze computer.
bare en volledig elektronische computer. Met een omvang van meer dan 160m2 en een gewicht van ongeveer 30 ton was deze echter nog ver verwijderd van de gewone consument. SNELHEIDSDUIVELS
Sindsdien zijn de belangrijkste begrippen in de computerindustrie sneller en kleiner. De huidige elektronische basisschakelingen zijn nu kleiner dan 1 micrometer (ongeveer honderd keer fijner dan de dikte van een haar), dit heeft ertoe geleid dat alle rekenkracht van de ENIAC nu ook in een draagbare telefoon past. Ook op gebied van snelheid is er in de afgelopen decennia veel vooruitgang geboekt. Een gevolg hiervan is dat we ondertussen aangekomen zijn bij de theoretische bovengrens op de snelheid van elektronische schakelingen, zijnde ongeveer een tiental GHz (het aantal gigahertz (GHz) van een processor noemt men de kloksnelheid en deze is een bepalende factor in de snelheid van de computer).
Chipfabrikanten zoals Intel en AMD flirten nu al enkele jaren met deze grens en pogen toch nog betere prestaties te halen door nu meerdere kernen in één processor te steken; de zogenaamde dual- of zelfs quad-core processoren. Om toch nog hogere snelheden te bereiken, wierpen wetenschappers en onderzoekers een blik op de fotonica; het gebruik van licht als schakelmechanisme. Met deze methode kan men de bovengrens op de snelheid in een schakeling eenvoudig verleggen tot enkele THz (1THz=1000GHz). Helaas zijn deze schakelingen ten opzichte van een elektronische schakeling aanzienlijk groter; dit omdat door het werken met licht er rekening moet gehouden worden met effecten zoals diffractie. Nog een nieuw onderzoeksdomein, dat van de plasmonica, heeft zich opgedrongen om zowel de barrière van snelheid als componentgrootte te doorbreken. Door een ingenieuze mix van principes uit de
Voorstelling van de energie in een SP-golf De kleur toont de intensiteit aan.
fotonica en de elektronica zou men via plasmonica erin slagen om THz-snelheden te bereiken terwijl de grootte van de circuitcomponenten toch kleiner zou zijn dan enkele micrometers. Hierin spelen de eerder vermelde oppervlakte plasmon golven een sleutelrol. ZOEKTOCHT
De sandwich van metaal en omliggend materiaal zorgt ervoor dat een oppervlakte plasmon gevangen zit op de grens tussen beide. Hieruit ontleent de SP-golf twee cruciale eigenschappen voor het gebruik in een computerschakeling, een sterke localisatie en een hoge energie. Op deze manier is het een alternatief voor een elektrisch signaal of een lichtstraal in een respectievelijk elektrische of fotonische computerschakeling. De kerngedachte hierbij is dat je een gebonden SP-golf hebt die in één richting over het oppervlak beweegt. Een technische moeilijkheid hier ligt bij hoe stevig de SP-golf vasthangt aan het oppervlak. Als deze verbinding te zwak is, gaat de golf zich meer over het oppervlak verspreiden. Indien de binding echter te sterk is, zal door dempingseffecten de energie van de golf te snel verdwijnen en zal deze maar een kleine afstand kunnen afleggen. Het evenwicht tussen deze twee effecten wordt gevonden door een juiste keuze van materialen. Om hiermee een computerschakeling te construeren is het echter noodzakelijk de golf te kunnen leiden over het oppervlak. Hierbij heeft men op basis van ideëen uit de optica (zoals spiegeling en diffractie) gezocht
naar spiegels, lenzen en prisma's voor SPgolven. De zoektocht naar zulke componenten is een actief onderzoeksdomein en de eerste vondsten zijn veelbelovend. Tobias Holmgaard van de Aalborg universiteit licht toe: "Ons recentste onderzoek naar nanofotonische circuit- componenten op basis van plasmonen was een groot succes. Om oppervlakte plasmonen te leiden hebben we zelf verscheidene methoden kunnen ontwikkelen. Met onze methodes bereikten we een hoge efficiëntie in het leiden, buigen, splitsen en reflecteren van SP-golven." Het uiteindelijke gebruik van oppervlakte plasmonen in circuits is dus zo goed als zeker. Het zal echter wel nog een tijdje duren eer de eerste SP-PC beschikbaar is voor de consument.
SEBASTIAAN DUCATTEEUW
Voorbeeld van een circuitcomponent op basis van plasmonica. Dit is een Y-vormige straalsplitser die de inkomende straal opsplist in twee parallelle stralen. Op het bovenste deel van de afbeelding staat de circuitcomponent weergegeven. Daaronder staat getoond hoe deze er uit ziet wanneer men er een SPgolf met golflengte 1550nm over leidt; de rode schijn toont de energiedichtheid aan.
Negatieve Breking van licht In de Imperial College in London zijn recentelijk materialen vervaardigd die licht negatief breken, helemaal tegen de menselijke intuïtie in! Iedereen heeft wel al ervaren dat als je een rietje in een glas steekt, dat het lijkt alsof het gebroken is. Dit komt omdat de snelheid van licht in water trager is dan in lucht. Nu is men bezig kunstmatige materialen te maken, waarbij het rietje als het ware zou gebroken zijn zoals in de rechterfiguur, helemaal tegen onze alledaagse ervaringen in. Al in 1968 had Victor Veselago, een Russisch fysicus, de mogelijkheid van negatieve breking overwogen en theoretisch geanalyseerd, maar geen enkel natuurlijk materiaal bezat de eigenschappen die voor negatieve breking zorgen. Nu, 40 jaar later, is men erin geslaagd materialen te vervaardigen die deze eigenschappen wel bezitten. Die metamaterialen genoemd worden omdat ze niet in de natuur voorkomen. Recentelijk zijn in de Imperial College in Londen door Dr. Pendry onderzoeken gedaan naar negatieve breking van licht in die materialen, en wat blijkt, de voorspellingen van Veselago blijken te kloppen. Dr. Pendry na het eerste succes:' Als alle voorspellingen van Veselago kloppen zullen er nog interessante toepassingen volgen uit deze nieuwe materialen'.
Breking van licht
Uit onze alledaagse ervaringen met het breken van licht, bijvoorbeeld als we een tak in een vijver steken, weten we dat het breekt zoals in het linkse deel van de onderstaande figuur. Namelijk als het licht overgaat tussen 2 materialen (vb. lucht en water) zal het verder vooruit gaan, maar gebroken zijn zoals in de linkse figuur. Dit wordt positieve breking genoemd. Als de snelheid van licht in het tweede materiaal kleiner is, dan zal het naar de normaal toe gebroken worden, omgekeerd zal het weg van de normaal gebroken worden. In de voorheen genoemde nieuw vervaardigde materialen zal het licht gebroken worden op de manier als in het het rechtse deel van onderstaande figuur, het keert als het ware terug. Dit is negatieve breking van licht.
Een voorbeeld van een metamateriaal is een materiaal met opeenvolgende lagen van zilver en magnesium fluoride met gaten in geboord. Zo ontstaan er zilveren ringen. Iedere ring werkt dan als een isolator en zo worden de eigenschappen voor negatieve breking bekomen. Onderstaande figuur is een voorbeeld van een materiaal met 10 lagen magnesiumfluoride en 11 lagen zilver waarin 484 gaten geboord zijn.
De perfecte lens Een grote toepassing van breking van licht zijn lenzen. Bij positieve breking wordt in een convexe lens het beeld vergroot, er wordt gefocuseerd op een punt dat uitvergroot wordt, zoals links in de figuur hieronder. Bij concave lenzen zal het kleiner weergegeven worden, je zal een breder beeld krijgen.
Lenzen die negatief breken zullen net omgekeerd werken, convexe lenzen tonen breed beeld, concave lenzen focuseren. Maar het verschil is dat de materialen met negatieve breking veel beter en sterker focuseren dan de positieve. Wat dus als gevolg heeft dat deze negatieve lenzen veel kleiner mogen zijn dan de positieve om toch hetzelfde beeld weer te geven. Dr. Pendry noemde zijn artikel: 'Negative refraction makes a perfect lens.', waaruit al verstaan kon worden dat er veel betere lenzen gemaakt kunnen worden uit metamaterialen. Op positieve lenzen zit een limiet, een maximale versterking, de diffractie limiet genoemd. De eerst vervaardigde 'superlens' met een negatieve breking heeft een 3 keer betere resolutie dan de diffractie limiet van positieve lenzen en was gemaakt in de Universitieit van Toronto. In principe zouden dit soort lenzen gebruikt kunnen worden om optische microscopen te maken waarmee moleculen zichtbaar worden. Maar dit is echter nog toekomstmuziek.
John Pendry en zijn collega’s hebben aangetoond dat metamaterialen licht kunnen wegleiden zodat er een holte ontstaat waar het licht niet door passeert. (zie onderstaande figuur) Dit omdat dat licht negatief gebroken wordt. Elk object in deze holte geplaatst, zou dan onzichtbaar worden omdat licht het niet kan bereiken. Je zou dan achter het object kunnen kijken alsof het er niet is. Alle lichtstralen die uit een richting komen zouden rond die holte buigen en terug samenkomen alsof er niets gebeurd is. Een beetje zoals water rond een steen stroomt.
Verschillende theoretische modellen zijn al voorgesteld en bestudeerd, maar tot op heden is er nog geen practisch werkende ‘onzichtbaarheidsmantel’.
‘Onzichtbaarheidsmantel’
Negatieve breking is een onderwerp die telkens opnieuw tot verrassing leidt: onschuldige aannames leiden tot onverwachtte en soms grote gevolgen. Dit nieuw onderzoeksgebied heeft groot enthousiasme en tegelijk controverse veroorzaakt. Controverse die telkens tot verheldering leidde en zo zorgde voor een stevige fundering waarop verder gebouwd kan worden. Ook is men nog de effecten van negatieve breking aan Onzichtbaarheidsmantel het onderzoeken voor golflengtes buiten Een tweede toepassing die vooral tot de ver- het zichtbaar spectrum, wat ongetwijfeld beelding spreekt is dat je met metamateri- nog tot verrassende gevolgen zal leiden. alen voorwerpen onzichtbaar kunt maken. Balder Knockaert
Onze botten vechten tegen osteoporose. Eenmaal een vrouw 50 jaar geworden is, heeft zij 50 % kans om een botbreuk ten gevolge van osteoporose op te lopen. Voor een man is deze kans dan 1 op 5. Osteoporose is het rechtstreeks gevolg van een afname in de hoeveelheid botmassa van onze beenderen. Dit verhoogt het risico op botbreuken zoals, het meest voorkomend bij ouderen, een heupfractuur of een wervelfractuur. Deze verslechtering door ouderdom kunnen we helaas niet tegenhouden, maar we kunnen proberen te begrijpen wat de aanleiding is tot deze onvermijdelijke degeneratie. Om de kwaliteit van onze beenderen met elkaar te vergelijken, heeft het botweefsel een label gekregen, de botkwaliteit, die afhangt van een aantal determinerende factoren. De primaire factor die aanleiding geeft tot een vermindering van botkwaliteit is een afname van het BMD, de mineraaldichtheid in het botweefsel (Bone Mineral Density), wat overeenkomt met de hoeveelheid botmassa. Maar dit is niet voldoende om te verklaren dat het risico op botbreuk bij bejaarde mensen tot wel 10 maal vergroot wordt. Taaie beenderen
Onze beenderen bevatten van nature wel duizenden microscheurtjes. Deze scheurtjes zijn slechts enkele honderden micrometers lang. Contraïntuïtief zijn deze kleine scheurtjes van essentieel belang voor de taaiheid van bot. Deze taaiheid geeft weer hoeveel weerstand het bot kan bieden tegen een breuk. Een bot breken doen we door bijvoorbeeld hard te vallen of door een stevige klap te krijgen. Het bot kan dan niet voldoende weerstand bieden tegen de grote, vaak plotse, kracht. Natuurlijk gebeurt dit niet bij elke kracht die erop uitgeoefend wordt, anders zouden we ze elke dag opnieuw breken. Eerst zal het bot elastisch vervormen, zodat het terug zijn oorspronkelijke vorm aanneemt wanneer de uitwendige kracht wegvalt. Naarmate die kracht toeneemt, zal het bot permanent of plastisch vervormd worden tot het niet meer in staat is een breuk te beletten.
Bot is een taai weefsel en verwerft deze taaiheid door de energie die geleverd wordt door een spanning op het bot uit te oefenen, zoveel mogelijk te dissiperen. Als het botweefsel hiertoe niet meer in staat is, zal er een breuk ontstaan. Het zijn bindingen die het botweefsel op elk schaalniveau samenhouden die deze energie verbruiken door zich te verbreken. De opbouw van een bot kan immers van moleculen tot weefsel ontrafeld worden tot telkens elementaire bouwstenen en hun onderlinge bindingen. Rob Ritchie en Pual Hansma, twee Amerikaanse professoren van de Universiteit van Californië, werkten samen met de Engelse Markus Buekler, professor aan het Massachusetts instituut van technologie, om vanuit deze multidimensionele aard van de structuur te begrijpen hoe een bot weerstand biedt tegen plastische vervorming en breukvorming.
Hiërarchische structuur
De complexe structuur van de hiërarchische opbouw van een bot is door wetenschappers van de kleinste moleculen tot het gehele weefsel helemaal blootgelegd. De elementaire bestanddelen van botweefsel zijn het eiwit collageen en het mineraal hydroxyapatiet. Collageenmoleculen vormen een soort van lange keten, een drievoudige helix, te vergelijken met de structuur van een DNA-streng. De bindingen die zo'n keten samenhouden, namelijk waterstofbindingen, zijn de eerste bindingen binnen het bot die gaan breken onder spanning. Aangezien de eerste vervormingen elastische zijn, zullen deze bindingen bovendien opnieuw gevormd worden eenmaal de spanning weg is. Ook het over elkaar glijden van meerdere dergelijke ketens zorgt voor het aflaten van energie.
Vezels vormen na meerdere groeperingen op verschillende schaalniveau's uiteindelijk een cilindervormig osteon. Microscheurtjes bevinden zich voornamelijk in de randen van dit osteon en door zijn centrum lopen bloedvaten en zenuwen. Een osteon is ongeveer een tiende van een millimeter dik en daarmee meer dan 300 maal dikker dan de oorspronkelijke collageenketen. In de volgende vergroting vormen al deze osteons dat wat men het botweefsel noemt. Op deze hogere schaalniveau's treden er ook bindingen op die functioneren als zogenaamde 'offerbindingen', die kunnen breken om energie te verspillen. "Onze studie heeft een directe impact op de medische wereld, doordat met deze kennis nieuwe geneesmiddelen en behandelingen voor botziektes ontwikkeld kunnen worden."
Microscheuren
Samen vormen een tiental van deze ketens een fibril. Het mineraal hydroxyapatiet nestelt zich tussen deze fibrillen en klit opnieuw honderden van deze fibrillen samen tot een lange vezel. Wanneer hydroxyapatiet zich losmaakt van collageen verbruikt dit veel energie, maar in tegenstelling tot de waterstofbindingen worden de oorspronkelijke bindingen niet meer hersteld. Als deze bindingen breken, zal het bot dus al plastisch vervormd worden. Rond de microscheurtjes zullen er zich bijvoorbeeld hydroxyapatietmoleculen loskoppelen van het collageen. Dit is de reden waarom het botweefsel deze scheurtjes kan tollereren.
Een bot biedt op twee manieren verzet tegen een breuk: m.b.v. intrinsieke mechanismen en extrinsieke mechanismen. Intrinsieke mechanismen zijn gegeven door de manier waarop het bot zijn grote taaiheid en plasticiteit garandeert. De extrinsieke mechanismen treden, in tegenstelling tot de intrinsieke, pas op eenmaal een breuk al is opgetreden. De microscheuren zijn essentieel voor de twee belangrijkste onder deze mechanismen: het overbruggen en het verleggen van het pad van een breuk. Ze kunnen dus niet de breuk voorkomen, maar wel de verdere voortplanting van de breuk. Deze mechanismen treden op bij de aanwezigheid van microscheurtjes omdat daarrond lokaal veel energie gedissipeerd wordt door het glijden van mineralen tussen de collageenketens.
Een voorstelling van het botweefsel in de heup van een vrouw. De afname in botmassa bij osteoporose (rechts) is duidelijk te merken. Deze leeftijdsgebonden verandering uit zich eerst vooral bij vrouwen na het optreden van de menopauze. 1 op 5 vrouwen hebben postmenopauzale osteoporose. Na een leeftijd van ongeveer 75 jaar is de kans op osteoporose verhoudingsgewijs dubbel zo groot voor vrouwen dan voor mannen. De microbreuken zijn georiënteerd langs de lange as van het bot, waardoor de taaiheid een anisotrope eigenschap is. Het vraagt m.a.w. veel meer kracht om een bot te breken dan om het te splijten. Wanneer er een scheur gevormd is die nog maar een halve millimeter lang is, is de weerstand die het botweefsel biedt tegen breken 5 maal groter dan tegen splijten. Dit komt omdat bij een transversale breuk de microscheurtjes hierop loodrecht geöriënteerd zijn, terwijl ze met een longitudinale breuk parallel liggen. In het eerste geval stompen ze als het ware de breuk af, waardoor er opnieuw een spanning moet aangelegd worden vooraleer de breuk deze afstomping verder kan splijten. In het tweede geval maken de microscheuren de voortplanting van de breuk op zekere wijze gemakkelijker.
Ouderdomsverschijnselen
Als we ouder worden, neemt de kwaliteit van ons bot onvermijdelijk af. Dit is in de eerste plaats het gevolg van een vermindering van de hoeveelheid massa van het bot, of dus van het BMD. Maar daarnaast verslechteren ook die eigenschappen die ons bot sterk houden, zoals de plasticiteit en de taaiheid. Een van de twee meest gebruikte medicaties om osteoporose te behandelen zijn antiresorptieve agenten. Deze stoffen werken resorptie tegen, of met andere woorden het proces waarbij bepaalde botcellen, nl. osteoclasten, het bot afbreken en zo mineralen vrijlaten in de bloedkanalen. Het zijn opnieuw de microscheuren die signalen uitzenden naar zowel deze botcellen als naar osteoblasten, botcellen die
botweefsel aanmaken, opdat ze samen zouden werken. Deze remoddelering van het botweefsel is de tweede belangrijke functie van de aanwezigheid van microscheuren. Ruim twintig jaar geleden toonde Sui Hui samen met enkele collega’s aan dat het gebruik van antiresorptieve agenten onafhankelijk is van de afname in botmassa. Ons botweefsel breekt zichzelf voorturend af en bouwt zich opnieuw op. Deze remodellering heeft enkele negatieve gevolgen over de jaren heen. Kanalen die bijeenliggende botcellen verbinden worden verbroken, waardoor deze cellen afbreken. Ook neemt het aantal microbreuken toe waardoor de intrinsieke eigenschappen zoals plasticiteit verslechteren. Maar de doorslaggevende factor in de afname van weerstand tegen botbreuken is het gevolg van het feit dat het steeds moeilijker wordt scheuren te overbruggen. Het begrijpen van deze mechanismen die tot op de kleinste schaalniveau's kunnen voorkomen, leidt tot vooruitgang op medische vlak, zoals prof. Ritchie stelt: "Onze studie heeft een directe impact op de medische wereld, doordat met deze kennis nieuwe geneesmiddelen en behandelingen voor botziektes ontwikkeld kunnen worden." Dit omvat ook nieuwe, vooruitstrevende behandelingen voor osteoporose.
Marieke Mijle
De Fysica van een virus.
Onderzoekers aan de universiteit van Californië zijn erin geslaagd meer inzicht te krijgen in het mechanisme dat virussen ertoe drijft om cellen binnen te dringen om zich voort te planten. Levensvorm, of toch niet?
Virussen zijn per definitie geen echte levensvormen, de reden hiervoor is dat ze zichzelf niet kunnen voortplanten zonder gebruik te maken van een levende cel. Het virus dringt de cel binnen en dwingt de cel om non-stop replica's van het virus te maken. Meestal loopt het dan niet goed af met de cel omdat deze door overproductie openbarst. Zo komen de nieuwe virussen vrij, waardoor de cyclus zich kan herhalen. Om voort te bestaan, is een virus dus afhankelijk van het mechanisme dat ervoor zorgt dat het de gastheer kan binnendringen. Het is hierover dat het onderzoek van Bill Gelbart en Chuck Knobler, twee professoren aan de universiteit van Californië, gaat. De reden voor dit onderzoek is dat wetenschappers al een tijdje worstelen met de vraag hoe levensvormen precies werken en daarbij gebruik maken van de universele wetten van de fysica. De meeste levensvormen zijn echter enorm gecompliceerd, waardoor men van het meest eenvoudige moest vertrekken. Een virus dus.
Doosje met inhoud
Zoals reeds bekend, is een virus opgebouwd uit een omhulsel van eiwitten met daarin een DNA-streng. Deze DNA-streng bevat de informatie die het virus wil doorgeven aan zijn gastheer. DNA is echter een molecule die zich niet snel leent tot plooien over korte afstanden. Toch is het bijna onmiskenbaar dat het viraal DNA in sterk opgekrulde staat in een virus zit opgesloten. Daaruit volgt dat het DNA dus onder hoge druk staat en waarschijnlijk is dit het drijvende mechanisme dat ervoor zorgt dat het in de cel kan geïnjecteerd worden. "Het is vergelijkbaar met een ingedrukte veer die
zich langzaam ontspant en zo zichzelf uit het omhulsel duwt," zegt één van de onderzoekers. Om meer te weten te komen over de exacte fysische grootheden die dit proces drijven, moeten enkele vragen gesteld worden: "Hoe groot is het omhulsel van het virus, waaruit is het opgebouwd en hoelang is de DNA-molecule die erin opgesloten zit?" De reden voor deze vragen is dat men de druk wil bepalen binnenin de capsule. Aangezien een virus zichzelf wil voortplanten, bevat het DNA de volledige informatie over hoe het virus gerepliceerd moet worden. Omdat de plaats binnen het omhulsel echter beperkt is, moet het virus en dus ook zijn omhulsel zo eenvoudig mogelijk opgebouwd zijn. Hoe ingewikkelder de structuur, hoe meer informatie nodig is en dus hoe langer de DNA-streng moet zijn die deze informatie bevat. Het omhulsel moet wel nog sterk genoeg zijn om het DNA vast te houden. Door met deze twee voorwaarden rekening te houden, kwamen
de onderzoekers tot de vaststelling dat het kapsel uit vrij eenvoudige bouwstenen opgebouwd is. De bouwstenen zijn waarschijnlijk eiwitten, die sterke chemische bindingen met elkaar kunnen aangaan en zo het omhulsel vormen. Door al deze elementen in rekening te brengen bekwamen de wetenschappers drukken die ongeveer 40 keer zo hoog liggen als de normale atmosferische druk. Een virus waarvan het eiwitkapsel verzwakt is, barst dus letterlijk open zoals te zien is in de figuur hieronder. Een virus met verzwakt eiwitkapsel spat uiteen als gevolg van hoge druk.
Weerstand bieden is nutteloos
Ondanks het feit dat een virus onder hoge druk staat, is het productieproces van een virus relatief eenvoudig. Het repliceren van DNA en het maken van eiwitten zijn standaardprocessen in de cel. Enkel het afwerken van het virus door het DNA in opgerolde staat in het omhulsel te brengen, is verschillend van de normale processen in een cel. Bij het maken van de capsule uit veel dezelfde bouwstenen, die chemisch intraheren met elkaar, wordt één molecule weggelaten zodat er als het ware een gat overblijft in het omhulsel. Dit gat zal dienst doen als plaats waar het DNA in de capsule geïnjecteerd wordt. Eerst wordt er een soort moleculaire motor op het gat aangesloten. Vervolgens wordt het DNA via de motor in de cel opgestapeld en tot slot wordt de sluitsteen molecule aan het einde van het DNA vastgemaakt en komt de buis op de plaats van de motor te zitten. Om de cel te verlaten, wacht het virus gewoon tot de cel openbarst als gevolg van haar eigen overproductie aan virussen.
Virus als medicijn
Indringer
De capsule met het opgerolde DNA staat dus onder hoge druk. Om het DNA gecontroleerd af te leveren aan de gastheer hebben de meeste virussen naast een capsule ook een buis met een diameter die net groot genoeg is om de dubbele helix van DNA door te laten. De buis kan zich koppelen met het celoppervlak en bezit een trigger die ervoor zorgt dat het sluitstuk, dat het DNA normaal binnen de cel houdt, losgelaten wordt. Zo ontrolt het DNA dat onder spanning staat spontaan terwijl ze in de cel geïnjecteerd wordt. Het laatste stuk DNA wordt echter niet spontaan in de cel gebracht omdat deze niet meer opgerold is. De eiwitten die ervoor zorgen dat het DNA omgezet wordt in nieuwe moleculen, zullen echter over het DNA schuiven en het laatste stuk DNA zo uit de capsule trekken.
Door dit onderzoek is er meer inzicht in de werking en opbouw van virussen verworven. In de toekomst kunnen er dus medicijnen ontwikkeld worden die het omhulsel van virussen verzwakken met als gevolg dat de inhoud vrijkomt buiten de potentiële gastheer, waar deze geen kwaad meer kunnen aanrichten. Een ander potentiële mogelijkheid is dat men zelf virussen zal gaan ontwikkelen die enkel doelgericht bacteriën of zieke cellen gaan aanvallen. Het virus doet hier dus dienst als medicijn. Ze zijn hier ook uitermate geschikt voor omdat de meeste virussen op zich al aan celherkenning doen. Het HIV virus, dat enkel bepaalde cellen van het afweersysteem aanvalt, is hier een goed voorbeeld van. Een virus is dus eigenlijk een relatief eenvoudig beestje, en toch kan het een grote impact hebben op de geneeskunde van morgen. Dit dankzij professoren Gelbart en Knobler en hun onderzoeksteam aan de universiteit van Californië.
Michiel Janssens
BRAM LEFEBVRE
IN DE KWANTUMFYSICA KUNNEN VREEMD GENOEG KRACHTEN ONTSTAAN IN EEN LEGE RUIMTE.
De wetenschapper Casimir, die werkzaam was in de Philips Laboratories in Eindhoven, stelde in 1948 een kracht voor tussen twee geleidende platen op korte afstand van mekaar in vacuüm. Als deze platen dicht bij mekaar komen, zouden ze een aantrekkingskracht ondervinden. Dit is onmogelijk om te verklaren met de klassieke fysica omdat vacuüm leeg is en er kunnen dus geen krachten ontstaan. De verklaring voor deze kracht kan wel gevonden worden in de kwantumfysica. Volgens de kwantumfysica bevinden zich in vacuüm virtuele deeltjes die continu ontstaan en weer verdwijnen. Deze deeltjes kunnen we ook als golven zien. Tussen de platen passen enkel de deeltjes die een golflengte kleiner of gelijk aan de afstand tussen de twee platen hebben. Daardoor zullen er minder deeltjes tussen de platen zijn. Dit creëert een druk die de twee platen naar mekaar toe duwt. CASIMIR KRACHT AANTONEN Heel lang konden de voorspelde krachten niet aangetoond worden. Dit komt doordat
de kracht enkel op micro- of nanoschaal werkt, en het werken op zo'n kleine schaal heel moeilijk was. In het laboratorium van Philips toonde Sparnaay in 1958 voor het eerst de kracht aan tussen een plaat uit chroom en een plaat uit staal. Zijn resultaat had veel onzekerheid maar toonde wel een kracht op kleine afstand aan. De moeilijkheid die hij ondervond was het zeer nauwkeurig parallel plaatsen van de platen. Het is ook belangrijk dat de platen neutraal zijn zodat geen elektrische kracht gemeten wordt. Pas in 1994 kon Steve Lamoreaux aan de universiteit van Washington de nauwkeurigheid van het experiment verbeteren. Hij gebruikte voor zijn experiment in plaats van twee platen een bol met een diameter van 4 centimeter en een metalen plaat. Dit bewees dat er effectief een aantrekkende kracht bestond: de Casimirkracht. Hij toonde ook aan dat deze kracht omgekeerd evenredig is met de vierde macht van de afstand tussen de platen en evenredig met de oppervlakte van de platen. Dit wil zeggen dat hoe dichter de platen bij mekaar staan en hoe groter de platen zijn, hoe meer ze aangetrokken
worden. Sinds het experiment van Lamoreaux hebben vele andere wetenschappers onderzoeken gedaan naar Casimir krachten. MEMS TECHNOLOGIE De Casimirkracht heeft een belang in de MEMS technologie. Dit staat voor microelektromechanische systemen. Deze kunnen heel handig zijn vanwege de kleine grootte die varieert van een micrometer tot enkele millimeters. Dit wordt op de hedendaagse markt vooral gebruikt in accelerometers. Dit zijn versnellingsmeters die bijvoorbeeld worden gebruikt in een Wii om de beweging van de speler te detecteren. Er is echter een nadeel aan het gebruik van MEMS. Op kleine onderdelen die dicht op mekaar zitten, ongeveer 100 nm, werkt de casimirkracht. Hierdoor blijven deze onderdelen aan elkaar kleven. Dit kan voor problemen zorgen als er beweging nodig is. Professor Leonhardt en Dr. Philbin van de afdeling Fysica en Astronomie van de St. Andrews-universiteit hebben in 2007 een oplossing voor dit probleem gevonden. Ze zeggen: "Door
Een accelerometer die in de afstandsbediening van een Wii zit.
tussen de platen een speciale lens te zetten, kunnen we in plaats van een aantrekkende, een afstotende kracht creëren". Op die manier kan een MEMS toch naar behoren werken. De Casimirkracht is het onderwerp van vele wetenschappelijke onderzoeken. Gedurende de jaren zijn steeds beter ontwikkelde instrumenten gemaakt die het mogelijk maken de kracht met een grotere nauwkeurigheid te meten. Deze aantrekkende kracht tussen ongeladen objecten daalt snel met vergrotende afstand. Daardoor is ze pas merkbaar op zeer kleine afstanden. Het kent dan ook vele toepassingen op micro- en nanoschaal. Kort samengevat is dit een heel interessante kracht waarnaar nog steeds vele onderzoeken naar gedaan worden.
CELINE BROUCKE Het effect dat de Casimirkracht teweegbrengt wordt vaak vergeleken met een proces dat op zee kan voorkomen. Als twee schepen dicht bij elkaar varen en de afstand is kleiner dan de afstand tussen de golven, worden deze schepen naar elkaar toegedreven.
