Lezingen
NMR en MRI voor de toekomst¶
Dr. H. van As
Lab voor Biofysica en Wageningen NMR Centre
Zestig jaren na de ontdekking van de principes van Nuclear Magnetic Resonance (NMR) is de methode nog steeds in ontwikkeling en vindt het steeds nieuwe toepassingen. De beeldvormende NMR (Magnetic Resonance Imaging of MRI) is bekend van de diverse medische toepassingen. NMR/MRI vindt echter op veel grotere schaal toepassingen, bijvoorbeeld in de (geo)fysica, de biologie en ecologie, chemische engineering en proceskunde, bio- en voedingstechnologie, en materiaalkunde. Verder vindt het toepassingen in nieuwe veiligheidstechnologieën en in het testen van fundamentele ideeën voor quantum computing!
De reden voor al deze toepassingen is de rijke informatie inhoud van NMR en het feit dat dit met beeldvorming (MRI) te combineren is. Nieuw ontwikkelde meetmethoden leveren nieuwe informatie. Daarnaast wordt er nog steeds nieuwe hardware ontwikkeld, o.a. het gebruik van het aardmagnetisch veld, miniaturisering van magneten en de elektronica voor hand-held mobiele apparatuur en de ontwikkeling van zeer sterke magneten voor zo groot mogelijke gevoeligheid.
In deze bijdrage wordt een aantal van deze ontwikkelingen geïntroduceerd en geïllustreerd. Vervolgens zal MRI voor toepassingen aan sapstroommetingen in planten en bomen en aan vochtmigratie in complexe 'on-the-go' snacks worden besproken. Deze voorbeelden zijn vanuit fundamenteel, maatschappelijk en economisch oogpunt van belang, maar niet vanzelfsprekend vanuit de techniek en vereisen methodeontwikkeling en de juiste hardware. Hier liggen uitdagingen voor de (bio)fysicus en een toekomst voor een nieuwe generatie: Eco Portable MRI, Health Snacks MRI en ... een eigen MRI mobieltje?
De sublieme eenvoud van relativiteit¶
Prof.dr.ir. F.A. Bais
Instituut voor Theoretische Fysica, Universiteit van Amsterdam
De relativiteitstheorie, onlosmakelijk verbonden met de persoon Albert Einstein, is een van de natuurkundige theorieën die het meest tot de verbeelding spreken. Dat komt omdat met deze theorie onze naïeve interpretatie van fundamentele concepten als ruimte, tijd, energie en massa, radicaal op de helling gezet worden. De theorie is ook zeer geschikt om leerlingen in contact te brengen met de macht die abstract denken kan hebben in de natuurwetenschap.
Wij gaan een aantal kwalitatieve aspecten van de speciale relativiteit op een zeer visuele manier bespreken aan de hand van ruimtetijd-diagrammen. Deze meetkundige benadering is vanuit pedagodisch oogpunt vooral aantrekkelijk omdat beelden vaak meer zeggen en beter beklijven dan algebraïsche berekeningen. Eerst komen de relativiteit van gelijktijdigheid, het optellen van snelheden en probleem van de oorzakelijkheid aan bod. Vervolgens bespreken we het ongelijk lopen van relatief bewegende klokken en de daarmee samenhangende 'tweeling paradox'. Tenslotte gaan we in op een aantal andere bijzondere aspecten van deze theorie zoals de betekenis van de formule E=mc2 en sluiten af met een aantal opmerkingen over de algemene relativiteitstheorie.
Het gaat om een laagdrempelige voordracht die enige elementaire middelbare schoolwiskunde (en dan vooral meetkunde) als voorkennis vereist.
De voordracht is gebaseerd op het boekje:
De sublieme eenvoud van relativiteit: een visuele inleiding
Sander Bais
Amsterdam University Press (2007)
De natuurkunde van de lamp en wat scheikunde en biologie¶
Dhr. W. Cottaar
Philips Lighting, Roosendaal
Bekijk het bijbehorende Portable Document (PDF)
Verlichting verbruikt zo´n 20% van de elektriciteit in deze wereld. Gezien de energievoorziening- en klimaatproblemen is een effciente(re) verlichting daarom belangrijk. Daarnaast beïnvloedt (kunst)licht duidelijk het gedrag van mensen en dieren. Een goede kwaliteit van die verlichting is dus ook van belang.
In de lezing wordt van een aantal (natuurkundige) kanten tegen verlichting en lampen aangekeken. Waarom is er geen gloeilamp die 100 000 uur meegaat? Heb ik over 1, 5 of 20 jaar LED verlichting in mijn woonkamer? Zijn er nu al echt goede gloeilampvervangers op de markt? Wat kan de 'ultimate' lamp?
Maar ook: wat betekent licht voor mensen en dieren. Wat is de kleurweergave van lampen, hoe beïnvloedt het spectrum van een lamp gedrag: hoe maak ik het aantrekkelijk of juist niet aantrekkelijk.
En tenslotte: welke eigenschappen van materialen maken het ons mogelijk überhaupt lampen te maken?
Uiteraard worden bij dit alles naar goed natuurkundig gebruik sommetjes gemaakt.
Hoor je beter in het donker?¶
Jo Hermans
Universiteit Leiden
Bekijk de bijbehorende PowerPoint-presentatie
Clusters, nanopuzzels van atomen¶
Prof.dr. P. Lievens
Lab. voor Vaste-Stoffysica en magnetisme, K.U. Leuven
Bekijk het bijbehorende Portable Document (PDF)
Bekijk het bijbehorende Portable Document (PDF) van de review over dit onderwerp
Clusters zijn brokjes materie die zich in grootte situeren tussen individuele atomen en macroscopische materialen. Ze bestaan uit een paar tot maximaal een tienduizendtal atomen. Bij het opbouwen van clusters, atoom per atoom, evolueren hun eigenschappen op een niet-continue manier. Ook al volgen deze kleine deeltjes dezelfde fundamentele wetten, ze vertonen mechanische, magnetische, optische, chemische en katalytische eigenschappen verschillend van - of zelfs superieur aan - macroscopische analogen. Eén oorzaak voor dit sterk afwijkende gedrag is dat een belangrijke fractie van de samenstellende atomen zich aan het oppervlak bevindt. Anderzijds is het aantal atomen eindig, wat resulteert in een opsplitsing van de elektronische energieniveaus en kwantumeffecten.
Vrij snel na de ontdekking van de zogenaamde magische getallen voor clusters van atomen, die synoniem staan voor sterke grootte- en element-afhankelijke eigenschappen, groeide het besef dat heterogene of binaire clusters , opgebouwd uit twee verschillende soorten atomen, ideaal geschikt zijn om de bijzondere fysische en chemische eigenschappen van nanometergrote deeltjes te onderzoeken en vooral gecontroleerd te wijzigen. Zowat alle elementen uit de periodieke tabel kunnen met behulp van moderne binaire clusterbronnen gecombineerd worden tot een ongekende variëteit aan nieuwe bouwstenen voor nanogestructureerde materialen met tot dusver onontgonnen eigenschappen.
Natuurkunde in een multidisciplinaire omgeving¶
Dr. J.J.H.B. Schleipen
Philips Reasearch, Eindhoven
Bekijk het bijbehorende Portable Document (PDF)
Bekijk de bijbehorende PowerPoint-presentatie
"Wat Natuurkundigen Doen" is het centrale thema van deze 42e Woudschoten Conferentie Natuurkunde-Didactiek. Kenmerkend voor het werk van een natuurkundige is het zich voortdurend afvragen hoe en waarom iets werkt, of niet, en het aandragen van middelen, in de vorm van experimenten en theorieën, om deze vragen te kunnen beantwoorden. Naast de vereiste vakinhoudelijke kennis bezit de natuurkundige een flinke dosis creativiteit en abstractievermogen. Het abstractievermogen helpt hem bij het reduceren van een (vaak complex) probleem uit de alledaagse werkelijkheid tot een puzzel die hij, met behulp van de middelen die hij dan ter beschikking heeft, kan oplossen. En kan de puzzel niet worden opgelost, dan gebruikt hij zijn creativiteit om nieuwe experimenten te definiëren en theorieën te formuleren, om de laatste puzzelstukjes op zijn plek te kunnen leggen.
De aard van de problemen die de natuurkundige op zijn weg tegenkomt, hangt sterk af van zijn werkomgeving. Terwijl in de industrie de vraagstelling zich vaak concentreert op het praktische 'hoe?', is men bij wetenschapsinstellingen als universiteiten doorgaans op zoek naar het meer fundamentele 'waarom?'. Naast de academische wetenschapsinstellingen hebben met name de grotere industriële onderzoekslaboratoria sinds jaar en dag fundamenteel onderzoek verricht op zoek naar nieuwe natuurkundige fenomenen met als doel deze te kunnen toepassen in nieuwe producten. Sinds een aantal jaren is hier echter een verschuiving te constateren. De industriële onderzoeksinstellingen, maar ook de universiteiten, concentreren zich in toenemende mate steeds meer op toepassingsgericht onderzoek, met een duidelijke eindgebruiker in gedachten. Toepassingsgericht onderzoek speelt zich vaak af in een speelveld van meerdere wetenschapsdisciplines. De natuurkundige speelt hier vaak een centrale rol: zijn abstractievermogen en zijn creativiteit stellen hem in staat het probleem als geheel te overzien en de vereiste disciplines op de juiste manier met elkaar te laten communiceren. Kruisbestuivingen tussen verschillende disciplines resulteren hierbij vaak in onverwacht interessante ontwikkelingen en nieuwe onderzoeksgebieden.
Aan de hand van een tweetal voorbeelden wordt dit multidisciplinaire speelveld nader belicht. Optische dataopslag is één van die multidisciplinaire vakgebieden waarbij disciplines als natuurkunde, scheikunde, elektrotechniek en wiskunde nauw met elkaar samenwerken om de consument met steeds meer opslagcapaciteit te bedienen. Philips heeft aan de wieg gestaan van de nieuwe Blu-ray Disc standaard, de opvolger van DVD, en tegenwoordig liggen de 12-cm diameter plastic schijfjes met een opslagcapaciteit van 50 GBytes (1 Gbyte = 10^9^ bytes) in de winkel te koop. Het tweede voorbeeld heeft betrekking op de gezondheidszorg. Toekomstige ontwikkelingen in de gezondheidszorg vragen om nieuwe producten waarmee het mogelijk wordt om sneller, nauwkeuriger en op grotere schaal, dat wil zeggen breder inzetbaar, allerlei stofjes te kunnen meten die in ons lichaam rondzwerven. Wederom speelt de natuurkunde, samen met disciplines als de biologie en scheikunde, een belangrijke rol. Dit wordt nader toegelicht aan de hand van een tweetal natuurkundige principes: fluorescentie van moleculen en fotoakoestiek. Hiermee kunnen extreem gevoelige sensoren worden gemaakt, waarmee moleculen met een nauwkeurigheid van 1 ppt (1 uit 10^12^ moleculen) kunnen worden geïdentificeerd.
Natuurkundig onderzoek ligt vaak ten grondslag aan nieuwe ontwikkelingen in andere vakgebieden. Bij zijn speurtocht om de natuur te doorgronden ontwikkelt de natuurkundige nieuwe, steeds snellere en meer verfijnde technieken die hij nodig heeft bij zijn eigen onderzoek. Deze technieken en nieuwe natuurkundige inzichten worden vervolgens ingezet in andere disciplines, waardoor ook hier de lat steeds hoger kan worden gelegd. Het gaat te ver om natuurkunde als de spil van alle bètawetenschappen te betitelen. Wellicht dat motorolie als titel hier beter op zijn plaats is: deze kruipt overal, zorgt ervoor dat de machine als gesmeerd loopt en zonder motorolie, op den duur, geen vooruitgang.
Een nieuwe stem voor stemlozen: fysica, biologie en techniek voor een stembandprothese¶
Prof.dr.ir. G.J. Verkerke
Universitair Medisch Centrum Groningen
Bekijk het bijbehorende Portable Document (PDF)
Bekijk de bijbehorende PowerPoint-presentatie
Start het bijbehorende progamma "Ctubes"
Start het bijbehorende progamma "Tubes_sound"
Start het bijbehorende progamma "Voce Vista"
Een kwaadaardige tumor in de keel kan verwijdering van het strottenhoofd nodig maken. Na deze operatie wordt de luchtpijp naar buiten geleid via een opening in de hals. De slokdarm blijft met de keelholte verbonden. Deze ingreep heeft dramatisch consequenties. Ruiken is niet meer mogelijk, de luchtpijp raakt snel geirriteerd, er zit een gat in de hals en spraak is niet meer mogelijk.
Om spreken mogelijk te maken, wordt een ventieltje in de wand tussen luchtpijp en slokdarm geplaatst. Uitgeademde lucht komt zo direct in de keelholte terecht, waar een 'boer-achtig'geluid wordt geproduceerd. De stemkwaliteit hiervan is echter vaak slecht. Om de patient weer een goede stem te kunnen geven, kan een prothese een oplossing zijn. Maar het ontwerp van zo'n prothese is niet eenvoudig.
Het vakgebied Biomedische Technologie is bij uitstek geschikt om zo'n prothese te ontwerpen. Dit vakgebied combineert anatomische en fysiologische kennis van stem en spraak met de fysische aspecten van spraak, zoals geluid, stromingsleer en mechanica. Daarnaast is technische kennis nodig om een oplossing te kunnen realiseren. Het biedt dus veel mogelijkheden om fysica op een heel ander manier te presenteren.
Scintillometrie: optica in een turbulente atmosfeer¶
Dr.ir. A.F. Moene
Universiteit Wageningen
Bekijk de bij behorende PowerPoint-presentatie
We kennen het verschijnsel allemaal: boven een woestijn of warm asfalt ziet men de lucht trillen (scintillaties). Ook 's nachts is de atmosfeer vlak boven de grond turbulent, wat leidt tot het verschijnsel van het fonkelen van de sterren. Hoewel deze twinkelingen duidelijk zichtbaar zijn, worden ze veroorzaakt door variaties in de brekingsindex van de lucht van slechts een miljoenste. Voor astronomen zijn die twinkelingen hinderlijk, maar voor meteorologen zijn ze een zegen.
Die variaties in de brekingsindex worden namelijk direct veroorzaakt door variaties in luchttemperatuur en/of luchtvochtigheid (afhankelijk van de golflengte van de straling). En omdat die fluctuaties in temperatuur en vocht weer samenhangen met het verticale turbulente transport van warmte en vocht, kunnen we de waargenomen scintillaties gebruiken om uitspraken te doen over de grootte van die transporten van en naar het aardoppervlak (we hebben het dan over de onderste tientallen meters van de atmosfeer). Kennis over de uitwisseling van warmte, vocht maar ook bijv. CO
2 is van groot belang voor de verdere ontwikkeling van weer- en klimaatmodellen, maar ook bijvoorbeeld voor het monitoren van watergebruik en de verspreiding van luchtverontreinigende stoffen.
De link tussen scintillaties en verticaal transport heeft geleid tot de ontwikkeling van scintillometers. Feitelijk is een scintillometer niet meer dan een stralingsbron die een evenwijdige bundel produceert, in combinatie met een ontvanger die waarneemt hoe sterk de intensiteit van die bundel varieert. De afstand tussen zender en ontvanger kan variëren van 100 meter tot 10 kilometer, afhankelijk van het soort scintillometer. Zo eenvoudig als het basis-idee van het apparaat is, zo gecompliceerd is de theorie erachter: een interessante combinatie van optica en turbulentie.
Hoewel de theorie achter scintillometers al zo'n 30 jaar in grote lijnen bekend is, heeft onze groep de afgelopen 10 jaar internationaal een voortrekkersrol gespeeld in de ontwikkeling van scintillometrie tot een bruikbare meettechniek en in het verder ontwikkelen van de theorie. Onze zoektocht naar nieuwe types scintillometers en nieuwe toepassingen gaat voort.
Numerieke simulaties van klimaatfluctuaties: trends, extremen en onzekerheden¶
Dr.ir. F.M. Selten
KNMI, De Bilt
Bekijk de bij behorende PowerPoint-presentatie
Het klimaat op aarde is aan verandering onderhevig. En niet alleen in onze moderne tijd. Maar waren de oorzaken eerder van puur natuurlijke aard, de huidige mondiale opwarming is toe te schrijven aan de toename van broeikasgassen in de atmosfeer door menselijk handelen. De laatste tientallen jaren zijn numerieke modellen ontwikkeld, die een redelijke beschrijving geven van de historische evolutie van het klimaat. Door te verwachten veranderingen in de samenstelling van de atmosfeer voor te schrijven, worden deze modellen gebruikt om projecties te maken van ons toekomstige klimaat. In deze lezing wordt een beschrijving gegeven van de huidige kl imaatmodellen. Het gesimuleerde historische klimaat wordt vergeleken met de waarnemingen. De projecties voor de toekomst worden besproken en de onzekerheden in deze projecties uitgelicht. Er worden voorbeelden van onderzoek gepresenteerd die laten zien hoe deze modellen verder ontwikkeld worden om een betere beschrijving te geven van de ontwikkeling van ons klimaat. Specifieke numerieke experimenten illustreren de toepassing van deze modellen als onderzoeksgereedschap om tot een beter begrip te komen van de werking van het klimaatsysteem. En een beter begrip leidt tot meer vertrouwen in de gesimuleerde veranderingen.
Natuurkunde in de (r)evolutie van polymere materialen¶
Prof.dr. M.A.J. Michels
Technische Universiteit Eindhoven
Bekijk de bij behorende PowerPoint-presentatie
Polymere materialen maken een stormachtige ontwikkeling door, en worden met reden gezien als de 'materials of choice' in de mondiaal sterk toenemende behoefte aan hoogwaardige materiaaltoepassingen en technologische oplossingen voor infrastructuur, transport, energie, voedselveiligheid en gezondheidszorg. In de zoektocht naar geschikte materialen blijken juist polymeren een vrijwel oneindige flexibiliteit in chemische samenstelling, microscopische structuur en ontwerp te combineren met gemak van verwerking en met inmiddels indrukwekkende eindeigenschappen. Dit betreft niet alleen constructieve, mechanische eigenschappen: er is een revolutie gaande in polymere elektronica en electro-optica, met toepassingsmogelijkheden voor bv. energie en informatievoorziening. Ook de wereld van biopolymeren en van biologisch materiaal wordt steeds meer geintegreerd binnen de polymeerwetenschappen. Grote multidisciplinaire onderzoeksprogramma's van universiteiten, bedrijven en overheden richten zich op al deze ontwikkelingen, en begrip op het kleinste niveau wordt steeds belangrijker. Hier blijkt een essentiele en sterk groeiende rol te zijn weggelegd voor de natuurkunde.
In deze lezing wil ik de bovengeschetste mondiale ontwikkelingen en de rol van polymeren erin kort toelichten. Daarna zal ik laten zien welk soort wetenschappelijke vragen dit met zich meebrengt en hoe die door het moderne natuurkundig onderzoek worden opgepakt. Ik zal hierbij iets dieper ingaan op drie voorbeelden:
Sterke materialen en het begrip van moleculaire bewegingen
Electronen en gaten in nanogestructureerde organische zonnecellen
Biologische polymere netwerken en de elasticiteit van de cel
