Kung fu en de kunst van het meten


Ondertussen zij2016-10-08-10-58-35n we een kleine maand in Sydney. We leven met zijn drieën in een camper in de tuin van Yves (zie ook de blog van Izabel en Zara) en ik ben na een weekje acclimatiseren aan de slag gegaan in de Macquarie University. Mijn onderzoeksopzet is simpel. Via metingen aantonen dat water een amorfe halfgeleider is. Yves heeft een labo uitgebouwd met de meest geavanceerde NMR*-apparatuur. NMR laat toe om de belangrijkste eigenschappen van water letterlijk zichtbaar te maken. Als water bijzondere eigenschappen heeft dan zijn die zeker detecteerbaar met NMR.

2016-10-28-10-05-45

De Minispec. Een 0.5 T NMR toestel dat ik de eerste weken heb gebruikt om de MR relaxatietijden van mijn waterstalen te onderzoeken.

Zoals reeds vermeld in een vorige post, vormt water aan een contactoppervlak (vb. met glas)  een visceus laagje dat de eigenschappen heeft van ijs. Binnen de NMR wereld spreekt men van gebonden water ('bound water'). Volgens de mainstream wetenschap zijn deze laagjes echter verwaarloosbaar dun (nanometers to maximum 1 micrometer) maar volgens de rebellen zijn deze lagen cruciaal om het gedrag van water te kunnen verstaan en kunnen ze uitgroeien tot een dikte van 0.1 mm.

Dit gebonden water met NMR zichtbaar maken was mijn eerste onderzoeksdoel. Op zich niet zo moeilijk als idee. Giet zuiver water in structuren die veel oppervlak bevatten (vb. heel dunne buisjes)  en meet de eigenschappen van dit water met NMR. Als deze eigenschappen sterk veranderen dan is het gebonden water aan contactoppervlakken op zijn minst belangrijk. Yves had reeds voor mijn vertrek een eenvoudig testje gedaan met een stukje plexiglas vol met kleine gaatjes (diameter van 20 micrometer). De NMR parameters van het water veranderden bijna met een factor 10. Ik kon dus met een gerust hart naar Australië komen. Er zou zeker van alles te beleven zijn.

Het leek een gemakkelijk doelpunt te worden. Ik moest gewoon Yves zijn metingen wat grondiger uitwerken en klaar is Kees. Maar zo gemakkelijk laat de natuur zich niet vangen. Al snel had ik door dat ik een nieuwe en vreemde wereld binnendrong. De NMR parameters veranderden wel, maar deze veranderingen waren niet systematisch. Met mijn eerste set vrij chaotische meetresultaten zou ik niemand kunnen overtuigen. Daarbij willen wetenschappers niet alleen weten dat er invloed is van die gebonden waterlaagjes, ze willen ook een model hebben dat verklaart waarom die waterlaagjes de NMR parameters beïnvloeden. En ook hier stond ik voorlopig met meer vragen dan antwoorden.

Een 10T spectrometer. Voorlopig nog niet gebruikt,  maar dat komt nog. Laat toe om kleine verschillen in de NMRfrequenties te meten.

Een 10T spectrometer. Voorlopig nog niet gebruikt, maar dat komt nog. Laat toe om kleine verschillen in de NMRfrequenties te meten.

Alleen zou ik hier niet snel zijn uitgeraakt. Gelukkig was er Yves, een NMR onderzoeker van wereldklasse. Hij zag een analogie met een fenomeen dat hem sterk interesseerde en dat de naam 'magnetisatietransfert' ('magnetization transfer') draagt. Dit komt er op neer dat ongebonden water zijn NMR signaal uitwisselt met het gebonden water bij eiwitten. Voor dit mechanisme bestonden reeds enkele meettechnieken en ook een wiskundig model dat ik met wat aanpassingen kon omvormen voor mijn studie van glasoppervlakken. Na wat gereken en gesimuleer, kreeg ik voldoende voeling met het fenomeen en wist ik veel beter wat ik kon verwachten.

Je kan alleen maar goed experimenteren als je vrij goed weet wat je zoekt. Ik wist nu wat ik kon verwachten en hierdoor kon ik me doorheen allerlei barrières worstelen. En dat waren er wel wat. De pH meter was eigenlijk kapot en gaf onbetrouwbare resultaten, de pH van het water dat ik in mijn capillairen deed bleek sterk af te hangen van de tijdsduur dat ik het blootstelde aan de lucht, de NMR minispec stond verkeerd gekalibreerd, het water moest eerst doorborreld worden met stikstof, enz. Allemaal details, maar als je een wiskundige nauwkeurigheid wilt dan moet je die barrières allemaal overwinnen. Anders krijg je niks.

Kung Fu (Skill over time)

Kung Fu (Skill over time)

Goed meten is een kunst en de vergelijking met het Chinese begrip 'Kung fu' is hier zeker op zijn plaats. Kung fu betekent hard werken, herhalen, doorzetten, verfijning zoeken, één worden met wat je aan het doen bent, ...  Pas door metingen tientallen malen te herhalen en kleine dingen te variëren, krijg je inzicht in wat je aan het meten bent. Je leert het watergedrag te voorspellen. Je wordt water...

Na 3 werkweken beginnen de  resultaten betrouwbaar te worden en kan ik de dikte van mijn gebonden waterlaagjes  schatten. De eerste waarde die ik uitrekende was voor zuiver water (pH 6.5) in een plexiglas buisje van 0.5 mm diameter. Het waterlaagje op het oppervlak was 0.1 mm dik, dezelfde grootte-orde als de laagjes die de rebel Gerald Pollack mat.

De rebellie krijgt er een nieuw meetinstrument bij. Het echte werk kan nu beginnen.

 

*NMR staat voor Nucleaire Magnetische Resonantie. Via dit mechanisme werken de MR scanners die gebruikt worden voor medische beeldvorming. Men laat hier de N vallen omdat die nogal gemakkelijk foutief wordt geassocieerd met radioactiviteit.


8 reactie op “Kung fu en de kunst van het meten”

  1. Walter Beantwoorden | Permalink

    Dag John,
    het is genieten, je artikel lezen! Mooie queeste die je aanvat! Veel succes.

  2. Wim De Poorter Beantwoorden | Permalink

    Passie en wetenschap, zoveel is wel duidelijk ! Ga jullie gang en hou ons op de hoogte !
    Het woord Kung Fu lijkt me hier bijzonder van toepassing . Good Luck !!!

  3. Ward Beantwoorden | Permalink

    Hi John !

    "de pH van het water dat ik in mijn capillairen deed bleek sterk af te hangen van de tijdsduur dat ik het blootstelde aan de lucht,"
    Dit doet me denken aan een eerdere discussie, let op dat je niet de CO2 in de lucht aan het meten bent :-)
    Een gebufferde oplossing is waarschijnlijk geen optie voor je NMR metingen, maar misschien een interte atmosfeer gebruiken?

    groetjes!!

    • johndepoorter Beantwoorden | Permalink

      Bedankt Ward voor de tip. Ik heb al veel aan die discussie gedacht.
      Die pH doet wel echt raar. Hij is rond 7 voor gedesioniseerd water (nadat ik het uit het toestel haal). Hij zakt evenwel weg naar bijna 5 op een paar uur tijd. Als ik het water doorborrel met N2 komt hij terug op 6.5. Ik ben al blij dat ik hem toch wat onder controle heb.

      Een gebufferde oplossing is vermoedelijk wel een interessante optie. Ik was toch van plan om de laagdikte te onderzoeken als functie van de ionenconcentratie.

      Warme groet,

      John

  4. Edith Beantwoorden | Permalink

    Hallo John,

    het is een wereld waar ik totaal geen kennis over heb, maar toch lijkt het me heel interessant en vooral boeiend voor jullie wetenschappers.
    Ik onthou je verwijzing naar de kunst van Kung Fu ;-). Trouwens doen we ons best om samen te oefenen op donderdagavond.
    Veel succes en zonnige herfstgroeten,
    Edith

  5. Roland Goossens Beantwoorden | Permalink

    Wetenschappelijk onderzoek is een van de vele passies die in dit geval dromen in werkelijk kunnen omzetten.
    Ik hoop van harte dat je in jouw opzet mag slagen waardoor we uiteindelijk weer wat meer inzicht in de materie zullen krijgen, wat toch aan de basis ligt van elk fundamenteel wetenschappelijk onderzoek.

  6. Benny Sichien Beantwoorden | Permalink

    Hey John,

    je zal me misschien niet herinneren, maar ik ben nog een oud-leerling geweest op de Arteveldehogeschool. Ik zat toen in de groep lichamelijke opvoeding, en ik had bij jou het experiment met de 2 fietswielen en de stok gedaan.

    Ik ben namelijk gepassioneerd door kung fu en tai chi en vandaar ben ik op jouw artikel terecht gekomen. Heb jij ook ergens interesse voor deze krijgskunst of was het puur een mooie vergelijking?

    Vriendelijke groeten

Een reactie geven