[CENTRAAL] Wetenschap & Technologie in het Nieuws #4

02-11-2017

Bacterie maakt groenere bouwstenen voor plastic

De productie van grondstoffen voor plastics kost veel energie en is bovendien erg vervuilend. De Wageningse promovendus Youri van Nuland heeft dit proces nu een stuk groener gemaakt met zijn aangepaste bacterie die in één stap moleculen omzet in bouwstenen voor plastic.

Om een plastic te maken heb je over het algemeen twee bouwstenen nodig die aan elkaar ‘klikken’. Door dit proces vaak te herhalen krijg je lange strengen kunststof. De bouwstenen van veel plastics zijn zogenoemde dizuren – moleculen met twee zuurgroepen aan de uiteinden – of diolen – moleculen met twee alcoholgroepen aan de uiteinden. Deze groepen reageren snel met elkaar of andere bouwstenen en dat maakt de klikreactie makkelijker. Ze hebben alleen één groot nadeel: het kost veel energie om ze te produceren en er komt bovendien veel CO2 bij vrij. Promovendus Youri van Nuland van Wageningen University & Research heeft daar iets op gevonden: een bacterie die de bouwstoffen in één stap kan maken.


Butaan, een voorbeeld van een alkaan met vier koolstofatomen (zwarte bollen) en twaalf waterstofatomen (witte bollen)

 Wikimedia Commons, Ben Mills and Jynto via publiek domein

Aangepaste bacterie

Van Nuland wilde in zijn promotie in eerste instantie alkanen, moleculen bestaande uit een rechte streng koolstof en waterstof, omzetten in dizuren. Daarvoor gebruikte hij een aangepaste E. coli-bacterie waar hij het enzym alkaanhydroxylase aan toevoegde. “Dat enzym zet selectief een van de uiteinden van een alkaan om in zuurgroepen”, legt Van Nuland uit. “Wij hebben hem met behulp van andere enzymen zo ver gekregen om ook de andere kant om te zetten in een zuur.”

Het enzym zet echter niet in één keer zuurgroepen op de alkaan. Als eerste stap voegt het alcoholgroepen toe aan het alkaan, waardoor er een diol ontstaat, en zet die diol vervolgens weer om in een dizuur. “Ik vroeg me af of we de reactie ook bij de diol konden stoppen, zodat we niet het dizuur maar de diol in konden isoleren”, vertelt Van Nuland. Dit bleek mogelijk door nog een enzym toe te voegen: alcohol acetyltransferase. “Dit tweede enzym zorgt ervoor dat de alcoholgroepen reageren met acetyl-CoA, een molecuul dat al aanwezig is in de bacterie”, legt Van Nuland uit. “Hierdoor is de alcohol beschermd en kan de zuurgroep niet meer vormen.”


Efficiënt

De bescherming kun je uiteindelijk makkelijk verwijderen en dan heb je de diol in handen. Het hele proces is volgens Van Nuland erg efficiënt. “We hebben de reactie getest met alkanen van verschillende lengtes. Het ene startproduct geeft meer opbrengst dan de ander, maar we zien over het algemeen dat we maar een klein percentage bijproducten krijgen.” Of de reactie ook op grote schaal zo goed werkt, heeft de promovendus nog niet kunnen testen. “Mijn promotietraject liep ten einde, maar je kunt in principe gewoon meer bacteriën gebruiken, dus ik verwacht niet veel problemen.” Inmiddels heeft de universiteit een patent aangevraagd voor het proces, en Van Nuland verkent nu of diol- en dizuurfabrikanten geïnteresseerd zijn in de technologie.

Hoewel de productie een stuk minder vervuilt dan de klassieke methodes, kun je het proces niet direct biobased noemen. De grondstoffen komen namelijk nog steeds gewoon uit olie. “De alkanen die we gebruiken haal je nu nog uit olie. Maar met deze route gaan we veel efficiënter te werk en stoten we minder broeikasgas uit. Verder bestaan er al processen waarbij ze alcoholen uit biomassa produceren, die kunnen we ook omzetten naar diolen.”


De Escherichia coli bacterie

 Wikimedia Commons, NIAID via CC BY 2.0

Afwachten

Van Nuland heeft nu zijn promotie achter de rug en werkt hij in Wageningen als postdoc. Hij zou het liefst verder gaan met dit project, maar op dit moment hebben ze nog geen industriële partner gevonden. Hij moet dus nog even afwachten. “Ik verwacht wel dat het opgepikt gaat worden”, zegt Van Nuland. “De bacterie is erg flexibel en kan veel verschillende producten maken. En uiteindelijk moeten we toch allemaal naar schonere processen.”

Dit artikel is een publicatie van NEMO Kennislink.
© NEMO Kennislink, sommige rechten voorbehouden

(kennislink.nl)

Denk dat een veel groter probleem de is dat plastics niet biologisch afbreekbaar zijn

quote:

Op vrijdag 3 november 2017 09:16 schreef Pietverdriet het volgende:
Denk dat een veel groter probleem de is dat plastics niet biologisch afbreekbaar zijn

Inderdaad

08-11-2017

Wetenschappers planten miniversie van menselijk brein in bij muizen en ethici zijn in alle staten



 © ThinkStock

Wetenschap & Planeet Twee papers die deze week worden voorgesteld op een vermaard congres voor neurowetenschappers in de Verenigde Staten, onthullen dat ze organoïdes – zeg maar miniversies – van een menselijk brein hebben ingeplant bij muizen en ratten. Ethici zijn gealarmeerd, want die nieuwe ontwikkeling zou de dieren wel eens een verhoogd bewustzijn kunnen geven.

Het creëren van menselijk hersenweefsel uit stamcellen zelf is niet nieuw. Het gebeurde voor het eerst vier jaar geleden in een lab in Wenen. De meest geavanceerde zijn niet groter dan een linze en werden tot nu toe alleen gekweekt in testbuizen. Ze pulseren met dezelfde soort elektrische activiteit die echte hersenen aansturen en doen nieuwe neuronen ontstaan. Ze ontwikkelen ook de zes lagen van de menselijke hersenschors, die onder meer verantwoordelijk is voor ons denken, beoordelingsvermogen en onze spraak.

Zulke organoïdes zijn een revolutionaire stap in het onderzoek naar de ontwikkeling van het menselijke brein en ziektes zoals Alzheimer en Zika. Maar het brengt de wetenschap ook in onbekende ethische wateren. “Niet dat ik denk dat een organoïde in een proefbuis kan denken, maar we moeten wel bekijken wat de ethische impact van deze ontwikkeling is”, aldus neurowetenschapper Hongjun Song van de universiteit van Pennsylvania.

Dringend

Daarover nadenken is sinds deze week net iets dringender geworden. Want op het jaarlijkse congres van de Society for Neuroscience in het Amerikaanse Washington DC stellen twee teams van wetenschappers deze week een rapport voor waaruit blijkt dat ze zulke miniversies van het menselijke brein ingeplant hebben in de hersenen van muizen en ratten. En waarin het vooruitzicht wordt geopperd dat die minihersenen zich verder zouden kunnen ontwikkelen in de dieren.

Een lab bevestigt zelfs dat het de organoïdes verbond met de bloedsomloop van de knaagdieren, waardoor ze verder kunnen groeien. De enige manier om uiteindelijk volledig ontwikkelde hersenen te simuleren, waarmee aandoeningen als autisme, epilepsie en schizofrenie onderzocht kunnen worden, zo klinkt het. “We komen zo op compleet onbekend ethisch terrein”, zegt Christof Koch van het Allen Institute for Brain Science in Seattle. “De wetenschap gaat zo snel, dat de ethiek niet kan bijhouden.”


 © Reuters

Idem voor de wetgeving, want waar de National Institutes of Health een moratorium hebben op het verlenen van fondsen aan research die menselijke stamcellen in embryo’s van gewervelde dieren inbrengt, bestaat er nog geen wetgeving rond het inplanten van de pas ontwikkelde organoïdes.

In de nieuwe experimenten – waarover nog nooit werd gecommuniceerd – bleken de meeste transplantaties succesvol en eentje hield het zelfs twee maanden uit. Meer nog, ontwikkelde neuronen van het menselijke brein stuurden axons – die elektrische signalen van het ene neuron naar het andere overbrengen – naar verscheidene delen van het brein van het knaagdier. Over de grootte van de organoïdes en de effecten op het gedrag van de muis wilde Fred Gage van het Salk Institute, een van de meest vermaarde neurobiologen ter wereld, echter nog niets kwijt tot zijn paper gepubliceerd is.

Frankenstein

Voor alle duidelijkheid: zo een miniversie van het menselijk brein kan zelfs nog niet de grootte van de hersenen van een kind bereiken in een muis en dat beperkt bijna zeker hoe complex ze kan worden. Beide experimenten gebruikten ook volwassen ratten, van wie de hersenen niet meer groeien. Anders zou het kunnen zijn als ze al ingeplant worden in foetussen. “Het is moeilijk voor te stellen hoe dat menselijke cognitieve capaciteiten zoals het bewustzijn zou beïnvloeden bij de dieren”, aldus bio-ethicus Jonathan Kimmelman van de McGilluniversiteit van Montreal.

Het is hoe dan ook een interessante discussie volgens zijn collega Josephine Johnston van The Hastings Center. “We deden in het verleden experimenten op muizen omdat ze niet menselijk zijn. Maar als we hen kleine menselijke breinen geven. Wat betekent dat voor hun intelligentie? En hun bewustzijn?”

We deden in het verleden experimenten op muizen omdat ze niet menselijk zijn. Maar als we hen kleine menselijke breinen geven. Wat betekent dat voor hun intelligentie? En hun bewustzijn?

Bio-ethicus Josephine Johnston

En ook hun collega Hank Greely van de universiteit van Stanford maakt die bedenking. “Op zeker moment in de toekomst kan het zijn dat wat we gemaakt hebben zelfs een zeker respect verdient. Volgend jaar vieren we de 200ste verjaardag van ‘Frankenstein’ van Mary Shelly. Ik denk dat het verhaal een nieuwe relevantie heeft in het licht van de ontwikkelingen waarover we het hier hebben.”

(HLN)

08-11-2017

3d-geprinte origami



Onderzoekers van de TUD zijn erin geslaagd om met een gewone 3d-printer en eenvoudig 3d-printmateriaal platte structuren te printen die zichzelf vervolgens in een driedimensionale vorm vouwen.

Tot nu toe was dit alleen mogelijk met speciale, veel duurdere printers en printmateriaal.

Hoewel het eenvoudig klinkt, komt er nog heel wat bij deze opvouwtechniek kijken. Zo moeten bepaalde delen zich in een vaste volgorde en volgens vooraf geplande stappen op­vouwen, wat het nodige programmeerwerk vooraf vergt.

De techniek maakt onder meer de productie van prothesen met een poreuze binnenzijde mogelijk, zodat zich hier stamcellen van de patiënt kunnen nestelen.

(technischweekblad.nl)

14-11-2017

Nederlanders testen 'lichtzeil' gemaakt van grafeen

Gaat dit materiaal in de toekomst onze ruimtevaartuigen voortstuwen?

Stephen Hawking kwam anderhalf jaar geleden met een fantastisch plan op de proppen. Hij wilde op korte termijn een ruimtevaartuig naar de dichtstbijzijnde ster sturen. Die ster bevindt zich op een slordige 4,3 lichtjaar afstand. Dat is omgerekend zo’n 40 biljoen kilometer. Maar Hawking liet zich niet door die afstand uit het veld slaan. Hij acht het mogelijk om die afstand in twintig jaar tijd te overbruggen. Wat betekent dat zijn ruimtevaartuig moet reizen met een snelheid van 60.000 kilometer per seconde.

Een lichtzeil
Het lijkt onmogelijk. Maar dat is het – op papier – zeker niet. Men neme gewoon een ruimtevaartuig dat bijna niets weegt en hangt het aan een lichtzeil. Vervolgens stuw je dat lichtzeil – en dus ook het ruimtevaartuigje dat eraan hangt – voort met behulp van een krachtige laserstraal die je vanaf de aarde op het lichtzeil richt (zie kader). Hierdoor wordt het ruimtevaartuig flink versneld en verkrijgt het voldoende snelheid om binnen 20 jaar bij Alpha Centauri te arriveren.

Als licht door een oppervlak wordt gereflecteerd of geabsorbeerd, oefent het een kracht uit die het oppervlak wegduwt van de lichtbron. Door handig gebruik te maken van die stralingsdruk is het in theorie mogelijk om objecten in de ruimte op snelheid te brengen zonder dat daarvoor brandstof nodig is. Maar: de van stralingsdruk afkomstige stuwkracht is zwak. Het betekent dat het lichtzeil een behoorlijke oppervlakte moet hebben en heel licht moet zijn om een effectieve voortstuwing mogelijk te maken. Daarnaast moet het lichtzeil natuurlijk wel stevig zijn en niet zomaar knappen. Ook wat dat laatste betreft is grafeen aantrekkelijk: het is niet alleen licht, maar ook heel sterk.

Grafeen
Voor Hawkings voorstel werkelijkheid kan worden, is er echter nog wel wat werk aan de winkel. Zo moeten we eerst uit zien te vogelen waar we dat lichtzeil van kunnen maken. Aan de TU Delft hebben ze daar wel ideeën over. Een team van vier jonge onderzoekers stelt voor om grafeen te gebruiken. “Als je een lichtzeil wilt maken, is het heel belangrijk dat de materialen waarvan je het zeil maakt heel erg weinig wegen,” vertelt onderzoeker Vera Janssen. En grafeen voldoet aan die eis. Het is namelijk slechts één atoom dik.

Gewichteloosheid
Maar is het ook echt geschikt voor gebruik in de ruimte? Dat gaan de onderzoekers deze week uitzoeken. Ze testen het materiaal in een omgeving die de omstandigheden in de ruimte nabootst: de valtoren van ZARM in Bremen. Tijdens het experiment wordt een capsule met daarin grafeenmembranen omhoog en omlaag gekatapulteerd in een 146 meter hoge toren. Dat leidt tot 9,3 seconden gewichteloosheid. De onderzoekers laten tijdens het experiment laserlicht schijnen op de vrij zwevende grafeenmembranen om te kijken wat dat met de membranen doet.

Testzeil
Je kunt de membranen zien als een soort testzeilen. De onderzoekers verwachten dat de testzeilen door de stralingsdruk van het laserlicht ongeveer 2 millimeter verplaatst worden. Het experiment stelt de onderzoekers in staat om de stuwkracht die het laserlicht op de testzeilen uitoefent, te bepalen. En na te gaan of grafeen een geschikt materiaal is om lichtzeilen van te maken.

En wie weet brengt het werk van de onderzoekers ons een stapje dichter bij de droom van Hawking: een bezoek brengen aan de dichtstbijzijnde ster én dichtstbijzijnde aardachtige exoplaneet. Want wat Hawking nog niet wist toen hij zijn plannen in april vorig jaar uit de doeken deed, was dat die dichtstbijzijnde ster zo’n – potentieel leefbare – planeet herbergt.

(scientias.nl)

quote:

Op woensdag 15 november 2017 09:07 schreef ExperimentalFrentalMental het volgende:
14-11-2017

Nederlanders testen 'lichtzeil' gemaakt van grafeen

Gaat dit materiaal in de toekomst onze ruimtevaartuigen voortstuwen?

Stephen Hawking kwam anderhalf jaar geleden met een fantastisch plan op de proppen. Hij wilde op korte termijn een ruimtevaartuig naar de dichtstbijzijnde ster sturen. Die ster bevindt zich op een slordige 4,3 lichtjaar afstand. Dat is omgerekend zo’n 40 biljoen kilometer. Maar Hawking liet zich niet door die afstand uit het veld slaan. Hij acht het mogelijk om die afstand in twintig jaar tijd te overbruggen. Wat betekent dat zijn ruimtevaartuig moet reizen met een snelheid van 60.000 kilometer per seconde.

Een lichtzeil
Het lijkt onmogelijk. Maar dat is het – op papier – zeker niet. Men neme gewoon een ruimtevaartuig dat bijna niets weegt en hangt het aan een lichtzeil. Vervolgens stuw je dat lichtzeil – en dus ook het ruimtevaartuigje dat eraan hangt – voort met behulp van een krachtige laserstraal die je vanaf de aarde op het lichtzeil richt (zie kader). Hierdoor wordt het ruimtevaartuig flink versneld en verkrijgt het voldoende snelheid om binnen 20 jaar bij Alpha Centauri te arriveren.

Als licht door een oppervlak wordt gereflecteerd of geabsorbeerd, oefent het een kracht uit die het oppervlak wegduwt van de lichtbron. Door handig gebruik te maken van die stralingsdruk is het in theorie mogelijk om objecten in de ruimte op snelheid te brengen zonder dat daarvoor brandstof nodig is. Maar: de van stralingsdruk afkomstige stuwkracht is zwak. Het betekent dat het lichtzeil een behoorlijke oppervlakte moet hebben en heel licht moet zijn om een effectieve voortstuwing mogelijk te maken. Daarnaast moet het lichtzeil natuurlijk wel stevig zijn en niet zomaar knappen. Ook wat dat laatste betreft is grafeen aantrekkelijk: het is niet alleen licht, maar ook heel sterk.

Grafeen
Voor Hawkings voorstel werkelijkheid kan worden, is er echter nog wel wat werk aan de winkel. Zo moeten we eerst uit zien te vogelen waar we dat lichtzeil van kunnen maken. Aan de TU Delft hebben ze daar wel ideeën over. Een team van vier jonge onderzoekers stelt voor om grafeen te gebruiken. “Als je een lichtzeil wilt maken, is het heel belangrijk dat de materialen waarvan je het zeil maakt heel erg weinig wegen,” vertelt onderzoeker Vera Janssen. En grafeen voldoet aan die eis. Het is namelijk slechts één atoom dik.

Gewichteloosheid
Maar is het ook echt geschikt voor gebruik in de ruimte? Dat gaan de onderzoekers deze week uitzoeken. Ze testen het materiaal in een omgeving die de omstandigheden in de ruimte nabootst: de valtoren van ZARM in Bremen. Tijdens het experiment wordt een capsule met daarin grafeenmembranen omhoog en omlaag gekatapulteerd in een 146 meter hoge toren. Dat leidt tot 9,3 seconden gewichteloosheid. De onderzoekers laten tijdens het experiment laserlicht schijnen op de vrij zwevende grafeenmembranen om te kijken wat dat met de membranen doet.

Testzeil
Je kunt de membranen zien als een soort testzeilen. De onderzoekers verwachten dat de testzeilen door de stralingsdruk van het laserlicht ongeveer 2 millimeter verplaatst worden. Het experiment stelt de onderzoekers in staat om de stuwkracht die het laserlicht op de testzeilen uitoefent, te bepalen. En na te gaan of grafeen een geschikt materiaal is om lichtzeilen van te maken.

En wie weet brengt het werk van de onderzoekers ons een stapje dichter bij de droom van Hawking: een bezoek brengen aan de dichtstbijzijnde ster én dichtstbijzijnde aardachtige exoplaneet. Want wat Hawking nog niet wist toen hij zijn plannen in april vorig jaar uit de doeken deed, was dat die dichtstbijzijnde ster zo’n – potentieel leefbare – planeet herbergt.

(scientias.nl)

Crookes Radiometer is een mooi experiment om te laten zien dat licht druk uitoefent, Vergis je niet, lichtdruk (een verwarrende term in het Nederlands) is de kracht die ervoor zorgt dat sterren (met nog genoeg energiereserves om het te produceren) niet in zich te samen vallen door hun zwaartekracht.


[ Bericht 1% gewijzigd door Pietverdriet op 15-11-2017 09:36:43 ]

quote:

Op woensdag 15 november 2017 09:35 schreef Perrin het volgende:

[..]

Is dat niet vooral thermische druk door botsingen van atomen?

Hoe meer massa (groter in massa) en heter de ster, hoe hoger en belangrijker de stralingsdruk . In de zon is de thermische druk belangrijker, maar de zon heeft ook niet zoveel massa dat deze dreigt in elkaar te storten tot een neutronenster.

quote:

Stellar interiors

In stellar interiors the temperatures are very high. Stellar models predict a temperature of 15 MK in the center of the Sun, and at the cores of supergiant stars the temperature may exceed 1 GK. As the radiation pressure scales as the fourth power of the temperature, it becomes important at these high temperatures. In the Sun, radiation pressure is still quite small when compared to the gas pressure. In the heaviest non-degenerate stars, radiation pressure is the dominant pressure component.[15]

https://en.wikipedia.org/(...)re#Stellar_interiors

quote:

Op woensdag 15 november 2017 09:42 schreef Perrin het volgende:

[..]

Ahja bij de joekels wordt die lichtdruk gigantisch.

hij neemt toe met de vierde macht van de temperatuurstijging.
Dat gaat dan snel als je aan de temperaturen zit waarbij Helium en andere zwaardere elementen fusie aangaan.
lichtdruk is trouwens de beste kandidaat voor de "donkere energie", de onbekende kracht die ervoor zorgt dat de expansiesnelheid van het universum toeneemt.
Jaren geleden toen ik hoorde dat de snelheid toenam kwam ik op het idee dat het lichtdruk zou kunnen zijn, ik dacht dat ik een geweldig idee had. Google leerde me dat ik daar zeker niet de eerste mee was.


[ Bericht 16% gewijzigd door Pietverdriet op 15-11-2017 09:55:54 ]

16-11-2017

Primeur: DNA van mens voor het eerst 'in vivo' aangepast

Voor het eerst is het DNA in menselijke cellen in het lichaam van een patiënt aangepast.

Onderzoekers zijn al een tijdje in staat om het DNA van mensen aan te passen. Maar tot voor kort gebeurde dat nog altijd buiten het lichaam: er werden celen uit het lichaam gehaald, aangepast en weer teruggeplaatst. Een Amerikaans ziekenhuis heeft daar nu echter verandering in gebracht. In het UCSF Benioff Children’s Hospital in Oakland is het DNA van een patiënt nu namelijk voor het eerst in het lichaam aangepast.

Huidige behandeling

Op dit moment wordt het syndroom van Hunter behandeld door wekelijks een gezuiverde vorm van het enzym I2S middels een infuus toe te dienen. Maar dat is alleen een bestrijding van de symptomen. Genezing is op dit moment onmogelijk.

Syndroom van Hunter
De patiënt in kwestie – Brian Madeux – heeft het syndroom van Hunter. Het is het resultaat van een gendefect. Patiënten met deze ziekte hebben een tekort aan het enzym I2S dat nodig is voor het afbreken van complexe suikers. Hierdoor stapelen deze suikers zich op in cellen, wat onder meer kan leiden tot weefselvernietiging en disfunctie van het orgaansysteem. “Ik heb elke dag pijn,” vertelt Madeux. “Ik leef van dag tot dag en had eigenlijk niet verwacht dat ik ouder zou worden dan begin twintig.” Hij besloot aan het experiment deel te nemen om anderen te helpen. “Ik ben bereid het kleine risico dat het veranderen van mijn DNA met zich meebrengt, te accepteren als het mijn leven kan verlengen en wetenschappers kan helpen om behandelingen te vinden.”

Correctie
Artsen hebben bij Madeux het DNA in cellen in de lever aangepast. Via een infuus ontving Madeux stofjes die zijn DNA op specifieke plekken konden doorknippen en een nieuw stukje, corrigerend DNA dat vervolgens op de plek van de knip kon worden toegevoegd aan het DNA. De artsen hopen dat het corrigerende stukje DNA de lever in staat stelt om een levenslange, stabiele voorraad van het I2S-enzym te produceren. “Voor het eerst heeft een patiënt een therapie ondergaan die gericht is op het precies aanpassen van het DNA in cellen die in het lichaam zitten,” vertelt dokter Sandy Macrae.

Of de aanpak echt werkt, is nog onduidelijk. Belangrijkste onderzoeksvraag is op dit moment of de aanpak veilig is. Naast Madeux zullen nog tot zo’n acht mannen aan het experiment deelnemen. In een later stadium zal dan moeten blijken of de aanpassing in het DNA ook echt werkt.

(scientias.nl)

21-11-2017

Ook Zweden begint aan de ontwikkeling van een eigen kwantumcomputer

.

Chalmers University of Technology gaat leidinggeven aan het initiatief: het Wallenberg Centre for Quantum Technology.

Momenteel worden er zo’n vijftig onderzoekers gerekruteerd voor het initiatief, dat in januari officieel van start gaat en circa tien jaar zal duren. Het onderzoek zal zich met name richten op de ontwikkeling van supergeleidende schakelingen en moet leiden tot een kwantumcomputer met minimaal 100 qubits, het kwantumequivalent van de gewone bits. In totaal wordt er ruim ¤ 100 miljoen in het project geïnvesteerd.


(technischweekblad.nl)

08-12-2017

Eindhovense onderzoekers toveren parkeergarage om tot 'longen van de stad'

Een wereldprimeur die de stadslucht enorm kan verbeteren.

Wetenschappers van de TU Eindhoven gaan – in nauwe samenwerking met de gemeente Eindhoven en enkele bedrijven – kijken of ze de stadslucht in Eindhoven kunnen verbeteren. Hiertoe zullen 30 luchtzuiveringsinstallaties worden geplaatst bij de ingang van een ondergrondse parkeergarage. Deze vangen in de parkeergarage fijnstof en roet af en blazen schone lucht de straat op. “Nooit eerder is in de openbare ruimte van een stad op deze manier geëxperimenteerd met het grootschalig reinigen van stadslucht,” vertelt onderzoeker Bert Blocken. Het is wat dat betreft een wereldprimeur.”

Het experiment vindt plaats in een parkeergarage aan het Stadhuisplein. Dat is een bewuste keuze. Het is een windluwe plek waar relatief veel luchtvervuiling ophoopt doordat het verkeer er langzaam rijdt.

Longen
In zekere zin vormt de parkeergarage in dit experiment de ‘longen van de stad’, zo legt Roel Gijsbers uit. Hij werkt bij ENs Urban, het bedrijf dat het concept ooit bedacht en de benodigde luchtzuiveringsinstallaties ontwikkelde. Die luchtzuiveringsinstallaties zorgen ervoor dat de kwaliteit van de lucht die de parkeergarage verlaat veel beter is dan die van de lucht die de parkeergarage in gaat. “Zo fungeren parkeergarages als ‘longen van de stad’ en leveren ze een positieve bijdrage aan de luchtkwaliteit van de stad.”

Fijnstof bestaat uit heel kleine deeltjes in de lucht – bijvoorbeeld roetdeeltjes – die je moeiteloos inademt en die vervolgens schade toe kunnen brengen aan onder meer het hart en de longen. Onderzoek suggereert dat deze vorm van luchtvervuiling de kans op een vroegtijdig overlijden vergroot.

Drie maanden
Het experiment in Eindhoven zal drie maanden duren. Gedurende die periode wordt de concentratie fijnstof met hoogwaardige meetapparatuur in een groot gebied rond de parkeergarage gemeten. Ook wordt de luchtbeweging in kaart gebracht door onder meer de windrichting en -snelheid te meten. Gehoopt wordt dat de luchtzuiveringsinstallaties leiden tot een betere luchtkwaliteit nabij de parkeergarage.

Gezondere lucht
Met het experiment wordt voortgeborduurd op onderzoek van Blocken en collega’s. Zij toonden eerder met behulp van computersimulaties en modellen aan dat de aanpak kan leiden tot een enorme verbetering van de stadslucht. En niet alleen in de directe omgeving van de parkeergarage. Of het in werkelijkheid ook zo werkt, zal de komende maanden moeten blijken. “Als de eerdere resultaten in de praktijk stand houden, biedt ‘Longen van de Stad’ een nieuwe en bewezen oplossing voor het grootschalig verwijderen van luchtverontreiniging in de stedelijke omgeving,” aldus Gijsbers. De luchtzuiveringsinstallaties zouden behalve in parkeergarages ook in tunnels, viaducten, trein- en busstations kunnen worden ingezet.

De Eindhovense wethouder Mary-Ann Schreurs ziet dat helemaal zitten. “Zodra het effect vast staat, is het zaak zo snel als mogelijk op te schalen in de binnenstad om die fijnstof- en roetvrij te maken.”

(scientias.nl)

11-12-2017

Scherper zien door een gaatjesmasker

Slimme techniek reconstrueert achteraf 3D-beeld

3D-echo’s maken van het inwendige van het menselijk lichaam wordt een stuk simpeler met de zogeheten coded aperture techniek. Dan heb je in plaats van duizenden, maar een paar sensors nodig en past het apparaat in een endoscoop. Computerkracht en slimme algoritmes vervangen complexe lenzen en elektronica.



De Swift satelliet, die gammaflitsen aan de hemel opspoort, heeft een coded aperture telescoop aan boord. Dat moet ook wel, omdat lenzen voor gammastraling niet bestaan. Hitachi hoopt in 2018 met een optische camera op de markt te komen, die ook gebruikt maakt van coded aperture. Met zo’n camera hoef je pas achteraf te bepalen op welk deel van het beeld je scherp stelt. Het beeld wordt immers digitaal gereconstrueerd uit een groot aantal overlappende beelden met een onbeperkte scherptediepte.

Je kent wel de echo-beelden van ongeboren baby’s. Daarbij wordt een compacte bron van heel korte geluidspulsen tegen de buik gezet. Dit geluid dringt het lichaam binnen, weerkaatst gedeeltelijk en wordt weer opgevangen door een sensor (microfoontje) in hetzelfde apparaat. Het tijdsverschil tussen zenden en ontvangen vertelt je de afstand tot het weerkaatsende object, en omdat de geluidsbundel heel smal is, weet je ook vrij nauwkeurig de richting waaruit de echo komt. Zo kun je dus een beeld opbouwen. Het betreft overigens ultrageluid, met een veel hogere frequentie dan hoorbaar geluid (één of meer megahertz).

Maar echo-beelden worden ook gebruikt om elders in het lichaam te kijken. Zoals je aan een baby-echo al ziet, kan het best lastig zijn om zo’n inwendig beeld te interpreteren. Dit komt, omdat het eigenlijk een tweedimensionale doorsnede door een stuk van het lichaam is.

Te groot voor endoscoop

Met geluid kun je ook driedimensionale beelden maken, die beter te interpreteren zijn. Maar daar was tot nu toe een zender/ontvanger met duizenden sensors en complexe elektronica voor nodig. Extra nadeel was, dat zo’n apparaat te groot is om in een endoscoop in te bouwen, zodat je alleen van de buitenkant kunt kijken. Een endoscoop is een flexibele buis waarmee je via natuurlijke openingen, zoals de mond en anus, of via een kleine, chirurgisch aangebrachte snede, het lichaam van binnen kan bekijken. Om met ultrageluid kleine en subtiele details in levende weefsels te onderscheiden, moet je van zo kort mogelijke afstand waarnemen.

Onderzoekers van het Erasmus Medisch Centrum en van de TU Delft hebben nu een 3D-geluidscamera gemaakt met maar één sensor, die in principe klein genoeg is om in een endoscoop in te bouwen. In hun artikel in Science Advances noemen ze het ‘een compleet nieuwe manier van beeldvorming, waarin de complexiteit is verplaatst van hardware naar rekenkracht’.



Het resultaat van de eerste meting. De letters E en D zijn duidelijk te onderscheiden, op de juiste afstand.

 Pieter Kruizinga e.a., Science Advances

In het artikel wordt maar één testafbeelding getoond, van twee plastic letters, E en D, in een bakje water (in water, omdat dit qua geluidsvoortplanting veel meer lijkt op een menselijk lichaam dan lucht). Dat lijkt nog ver verwijderd van echt in een menselijk lichaam kijken. Pieter Kruizinga, eerste auteur en post-doc photo-acoustics bij het Erasmus MC: “De resultaten uit het artikel zijn inmiddels anderhalf jaar oud en we hebben sindsdien niet stilgezeten. Zo heeft een promotiestudente ditzelfde principe al toegepast op een sensor die vele malen kleiner is, en daar heeft ze al prachtige plaatjes mee gemaakt van ingewikkelde objecten en ook van echte weefsels.”

Het principe, coded aperture, is al langer bekend en wordt al toegepast in onder meer gamma- en röntgentelescopen. Om de innovatie van het team te begrijpen, kijken we even terug naar de allereerste camera, die in zekere zin nog steeds de allerbeste is, namelijk de speldengatcamera. Dit is een lichtdichte doos met aan de voorkant één speldengaatje, en tegen de achterkant een fotografische plaat (of tegenwoordig meestal een CCD-chip, zoals in een digitale camera).

Patroon van gaatjes

De speldengatcamera is altijd goed gefocusd, heeft een onbeperkte scherptediepte, geen beeldvervorming aan de randen en perfecte kleurweergave. Helaas vallen al deze voordelen weg tegen dit ene nadeel: de belichtingstijd is enorm. Immers, door het piepkleine gaatje valt maar een heel klein beetje licht naar binnen.

Bij de camera’s die iedereen kent, is het speldengat daarom vervangen door een veel groter gat met een stuk glas erin, het objectief (je mag ook ‘lens’ zeggen). De speciale vorm van het glas zorgt er zo goed mogelijk voor, dat alle lichtstralen die op het gat komen zodanig worden afgebogen, dat ze terechtkomen op hetzelfde punt van de achterwand als een lichtstraal die door het denkbeeldige speldengaatje in het middelpunt van de lens gaat.

Alle consumentencamera’s zijn dus afstammelingen van de speldengatcamera. Maar er is nog een wezenlijk andere manier om de belichtingstijd van een speldengatcamera te verminderen: prik meerdere speldengaatjes in de doos. Zoals de afbeelding hieronder laat zien, projecteert elk gaatje zijn eigen beeld op de achterkant, en die beelden overlappen. Niettemin, als het patroon van de gaatjes goed gekozen is (vandaar coded aperture, gecodeerde opening), en je hebt flink wat rekenkracht beschikbaar, dan kun je digitaal alle afzonderlijke beelden verschuiven tot ze weer keurig op elkaar liggen. Zo win je veel belichtingstijd terwijl je weinig aan beeldkwaliteit inboet.


In dit klassieke plaatje van een speldengatcamera is een extra speldengat getekend, om te laten zien dat er dan twee beelden van het kaarsje op de achterwand ontstaan. Met alleen het kaarsje zou het nog net goed gaan, maar twee volledige beelden op de achterwand zullen flink overlappen. Een coded aperture camera is te vergelijken met een speldengatcamera met honderden gaatjes, en honderden overlappende beelden. Een geschikt gaatjespatroon in combinatie met slimme algoritmes voor beeldverwerking maken het mogelijk om al die overlappende beelden in de computer weer netjes op elkaar te leggen, zodat één helder beeld ontstaat.

u = Hv + n

Hoe haalt de computer al die overlappende beelden uit elkaar? Het komt neer op het oplossen van v uit bovenstaande vergelijking, waarin v het 3D-beeld is, u de binnengekomen echo’s, en H een wiskundige representatie van het vertragingsmasker. Dit is een zogeheten lineair inversie probleem, waarvoor allerlei algoritmes beschikbaar zijn. De moeilijkheid zit ‘m in de omvang: u, v en n zijn rijen van duizenden getallen, en H is een matrix (een tabel) met miljoenen getallen. Pas de laatste jaren zijn computers snel genoeg, en geheugens groot genoeg, om zo’n probleem snel op te lossen.

Dit principe hebben Kruizinga en zijn collega’s nu vertaald naar 3D-beeldvorming met ultrageluid. De zender bestaat uit maar één onderdeel, een trilplaatje ongeveer zo groot als een dubbeltje dat hele korte pulsen ultrageluid met een frequentie van vijf megahertz afgeeft. Licht kun je makkelijk blokkeren, maar met geluid lukt dat niet. Daarom is de coded aperture hier geen masker met een patroon van gaatjes, maar een schijfje perspex met een groot aantal putjes van één millimeter breed, allemaal met een verschillende diepte. Elk putje zorgt ervoor, dat de puls op die plek met iets meer of minder vertraging door het schijfje gaat.

Het object dat je in beeld wilt brengen, wordt dus getroffen door een complexe, in de tijd uitgerekte pulsgeluid, en de echo zal ook heel ingewikkeld zijn. Die echo gaat in omgekeerde richting door het vertragingsmasker, en wordt door hetzelfde trilplaatje geregistreerd, dat dan als enige sensor fungeert. In conventionele 3D-beeldvorming met ultrageluid, is er een grid met duizenden zenders/sensoren die achtereenvolgens, punt voor punt, het beeld scannen. Met coded aperture gebeurt dat dus in één keer.

Het klinkt misschien vreemd, maar het putjespatroon moet juist zo rommelig mogelijk zijn, willekeurig dus, om een goede reconstructie van het 3D-beeld mogelijk te maken. Een regelmatig putjespatroon veroorzaakt te veel overeenkomsten tussen de echo’s van de afzonderlijke putjes, waardoor die achteraf niet goed meer te scheiden zijn.

Masker

Het vertragingsmasker, een schijf van perspex met een groot aantal putjes van één millimeter diameter. Het patroon is willekeurig; er moet namelijk juist zo min mogelijk regelmaat in zitten om naderhand het 3D-beeld te reconstrueren.

 Pieter Kruizinga e.a., Science Advances

Meer dan één sensor

Wel is er nog een extra truc: er worden met tussenpozen enige tientallen pulsen door het vertragingsmasker gestuurd. Tussen twee pulsen wordt het masker telkens iets gedraaid. Daardoor ontmoet elke puls net een ander putjespatroon, wat een andere echo oplevert, en die worden allemaal digitaal opgestapeld.

“In ons artikel beschrijven we vooral een _proof of concept”, zegt Kruizinga. “Het leek ons gaaf om te laten zien dat je al met één sensor een 3D-plaatje kan maken. Dat is het absolute minimum, maar dit heeft als nadeel dat de gevoeligheid wat achteruitgaat, omdat echo’s van verschillende plekken door dezelfde sensor worden gemeten. Daardoor krijg je bijvoorbeeld destructieve interferentie (uitdoving – red.) aan het sensoroppervlak. Ik denk daarom dat je voor een echt klinisch apparaat wel meer dan één sensor wilt gebruiken.”

Ook op andere manieren is nog veel aan gevoeligheid te winnen. “We hebben een plastic masker gemaakt van materiaal dat we nog hadden liggen. Het harde plastic reflecteert nu nog veel van de echo-energie terug het water in. Kortom, ik denk zeker dat deze techniek, of een variant hiervan, na verdere ontwikkeling in de medische diagnostiek gebruikt kan worden.”


Het vertragingsmasker wordt gelijkmatig geroteerd terwijl er pulsen ultrageluid doorheen gaan. Op de voorgrond de letters E en D, het eerste testbeeld.

Anderhalf uur

De keerzijde van de coded aperture-techniek is, dat brute rekenkracht de complexe echo daarna moet opsplitsen in de afzonderlijke beelden en die op elkaar leggen. Daarvoor moet eerst de invloed van het vertragingsmasker bekend zijn op een geluidspuls die er doorheen gaat. Daarom wordt van tevoren de geluidspuls vlak na het masker met een microscopisch kleine sensor punt voor punt gescand (dit lijkt dus op de gebruikelijke manier om een geluidsbeeld te detecteren).

Dit duurt lang; anderhalf uur, maar deze calibratie hoeft maar één keer te gebeuren. Daarna beschik je over een wiskundige representatie van het masker (een matrix H, zie zijkader – red.), en hiermee kan een gewone computer in ongeveer een minuut uit een meting een 3D-plaatje maken. Kruizinga: “Een goede desktop computer lost zo’n stelsel relatief snel op. Je hebt echter heel wat geheugen nodig om met zo’n matrix te rekenen.”

Voor de toekomst ziet Kruizinga dit niet als een groot probleem. “Je kunt je voorstellen dat er ergens een grote computer staat die zo’n matrix in zijn geheugen heeft, en dat je dan je metingen vanaf je telefoon via een wifi-verbinding naar die computer stuurt en binnen een seconde het 3D-plaatje terugkrijgt. Dit is het systeem dat Google al jaren gebruikt om snel goede zoekresultaten te leveren.”

Bron

Compressive 3D ultrasound imaging using a single sensor , Science Advances 8 december 2017, Pieter Kruizinga e.a.

(kennislink)

09-01-2018

Doorbraak: menselijke spieren groeien in labo uit huidcellen en wérken


 © Thinkstock - Het in een labo uit huidstamcellen gekweekte spierweefsel reageert op uitwendige stimuli zoals elektrische pulsen en chemische signalen.

Medisch Werkende menselijke spieren zijn in een labo ontwikkeld uit stamcellen uit de huid. Die doorbraak is beloftevol voor mensen die lijden aan degeneratieve spierziektes.

Het team wetenschappers van de Duke universiteit in de Amerikaanse staat North Carolina stelt de eersten te zijn die dit klaarspeelt met stamcellen uit huidweefsel dat werd “geherprogrammeerd” naar jeugdig en veelzijdig spierweefsel.

Het gaat om ‘geïnduceerde pluripotente stamcellen’ of iPSC’s. Net als natuurlijke stamcellen in embryo’s kunnen ze eender welk type menselijke cel worden. In dit geval werden de iPSC’s overgehaald om skeletspiercellen te worden, die uitgroeiden tot ‘functionerende menselijke skeletspieren’, meldde het team in het wetenschappelijke tijdschrift Nature Communications.

Spieren reageren op elektrische en chemische signalen

“Het heeft ons jaren proberen en falen gekost, met kleine stapjes richting functionerend menselijk spierweefsel uit die pluripotente stamcellen”, stelt mede-auteur van de studie Lingjun Rao.

De doorbraak werd mogelijk gemaakt door “unieke celcultuuromstandigheden” in het labo en een 3D-steiger die de cellen toeliet “sneller en langer te groeien” dan bij andere teams gebeurde, stelt Rao.

Het spierweefsel reageert op uitwendige stimuli zoals elektrische pulsen en chemische signalen.

In muizen

Ze implanteerden de spiervezels ook in volwassen muizen, waar ze overleefden en gedurende minstens drie weken functioneerden, hoewel ze “niet zo sterk” waren als natuurlijk weefsel.

De vorsers hopen dat hun techniek zal leiden tot het kweken van “een eindeloze hoeveelheid” werkende spieren waarop medicijnen en genbehandelingen voor degeneratieve spierziektes kunnen getest worden.

(HLN)

22-01-2018

Een trekstraal die mensen laat zweven: hij komt eraan!

Voor het eerst is bewezen dat een akoestische trekstraal ook grip kan krijgen op objecten groter dan insecten.

Akoestische trekstralen kunnen deeltjes met behulp van geluidsgolven laten zweven. En experimenten hebben aangetoond dat het met zo’n trekstraal ook nog wel lukt om een insect te laten zweven. Maar veel grotere objecten: dat was lastig. Zodra men probeerde een object groter dan de golflengte van het geluid dat in de akoestische trekstraal werd benut, te laten zweven, ging dat object namelijk ongecontroleerd draaien (dat komt doordat een roterend geluidsveld een deel van de draaiende beweging overdraagt aan het object).

Tornado’s van geluid
Britse onderzoekers tonen nu echter aan dat het wel mogelijk is om objecten groter dan de golflengte van geluid in een akoestische trekstraal op stabiele wijze te laten zweven. Ze gebruiken daartoe naar eigen zeggen “tornado’s van geluid, met een twister-achtige structuur waarbij een stille kern omringd wordt door een luid geluid”. Door de draairichting van die tornado’s heel snel te veranderen, werd de trekstraal stabiel. Vervolgens hoefden de onderzoekers de omvang van de ‘stille kern’ alleen maar iets te vergroten om ervoor te zorgen dat de trekstraal ook grotere objecten in zijn greep kon houden.

Twee centimeter
Uiteindelijk lukte het de onderzoekers om een bolletje dat ongeveer 2 centimeter groot was te laten zweven (zie video). Nog niet eerder hebben onderzoekers zo’n groot object in de greep van een trekstraal gekregen. Daarbij werd gebruik gemaakt van ultrasone golven (40kHz), deze zijn qua toonhoogte vergelijkbaar met wat alleen vleermuizen kunnen waarnemen.


Groter
“In de toekomst moet het met meer akoestische kracht mogelijk zijn om nog grotere objecten vast te houden,” voorspelt onderzoeker Mihai Caleap. Mogelijk kunnen dan zelfs mensen gaan zweven. Een doorbraak, die eerder alleen mogelijk werd geacht met behulp van lagere tonen die het experiment hoorbaar en gevaarlijk maakten voor mensen.

Wij kennen trekstralen voornamelijk uit scifi-films en -series. Daarin worden ze bijvoorbeeld ingezet om een ruimteschip te ‘vangen’. Maar de akoestische trekstralen van de Britse onderzoekers hebben implicaties voor het leven op aarde. Zo kunnen ze bijvoorbeeld ingezet worden in fabrieken. “Ik ben met name enthousiast over contactloze productielijnen, waar breekbare objecten in elkaar worden gezet zonder dat ze worden aangeraakt,” vertelt onderzoeker Bruce Drinkwater. Ook kunnen de trekstralen bijvoorbeeld ingezet worden om uit te zoeken hoe bacteriën reageren op gewichteloosheid, iets wat dan weer wel van pas komt tijdens toekomstige ruimtereizen.

(scientias.nl)

07-02-2018

Mysterieuze muon




Deze maand herstart het Amerikaanse Fermilab het onderzoek naar de draaiing van het muon, de zwaardere neef van het elektron, in een sterk elektrisch veld.

Voorgaand onderzoek gaf verrassende resultaten, waarbij de gemeten draaiing
afweek van de voorspelde theoretische waarde. Fermilab gaat het experiment herhalen met een viermaal hogere precisie. Hiervoor is een magneet van 15 m doorsnee, de Muon g-2, verhuisd van New York naar Illinois. Als het nieuwe onderzoek de eerdere resultaten bevestigt, dan is er waarschijnlijk een nieuw exotisch deeltje gemeten. Óf dan is de huidige theorie over de draaiing van het muon onjuist.

(technischweekblad.nl)

09-02-2018

Nieuwe hoop voor onvruchtbare vrouwen: eicel voor het eerst in lab gekweekt


 © Thinkstock

Medisch Voor het eerst zijn vrouwelijke eitjes die geschikt zijn voor bevruchting gekweekt in een laboratorium. Wetenschappers zijn erin geslaagd het proces waarbij eitjes in de baarmoeder rijpen, buiten het lichaam na te bootsen.

Bij de methode worden stukjes uit de eierstokken gebruikt. Het is een stap verder dan ivf (in vitro fertilisation) en heet ivm (in vitro maturation). “Als we kunnen aantonen dat deze eitjes normaal zijn en kunnen uitgroeien tot embryo’s, dan zijn er veel mogelijkheden voor behandelingen”, zei onderzoeksleider Evelyn Telfer van de universiteit van Edinburgh tegen de krant The Independent.

Kankerpatiënten

De methode kan vrouwen helpen die geen normale ovulatie hebben en daardoor niet in aanmerking komen voor ivf, waarbij rijpe eitjes worden uitgehaald en in het laboratorium bevrucht met sperma. Daarnaast kunnen jonge kankerpatiënten zo mogelijk hun vruchtbaarheid behouden als ze bestraling of chemotherapie moeten ondergaan.

Nu wordt nog materiaal uit de eierstokken bewaard in de hoop dat die terug kan worden getransplanteerd als de patiënt is genezen. Telfer: “Dat kan risicovol zijn, want veel van deze jonge vrouwen hebben een kanker die door het bloed wordt verspreid en je wil geen abnormale cellen terug transplanteren.”

(HLN)

13-02-2018

Levende cellen stuk sneller geprint

Het printen van levende cellen in kunstmatige organen kan veel winst opleveren bij allerlei medische ingrepen. Helaas is deze techniek nu vaak nog te langzaam, maar wetenschappers van de Universiteit Twente hebben een manier gevonden om de cellen een stuk sneller en flexibeler te printen.



De twee stromen komen in de lucht bij elkaar en vormen zo individuele druppels met cellen erin.

Je kiest de juiste stamcellen, stopt ze in een gel en print een nieuwe lever. Dit is de droom van veel onderzoekers die werken aan het printen van levende cellen, omdat het donortekort nu nog veel levens eist. Helaas duurt printen nu vaak nog lang en dat overleven de cellen niet. Wetenschappers van de Universiteit Twente hebben een manier gevonden om het printen van levende cellen een stuk sneller te laten verlopen.

Beschermende gel

Om cellen te printen, vang je ze eerst in een beschermende gel, legt promovendus Tom Kamperman uit. “Een gel lijkt op de natuurlijke omgeving van zo’n cel, waardoor hij beter groeit en minder snel dood gaat.” Maar je kunt ze niet simpelweg in de gel gooien en roeren, dat moet voorzichtiger. Bovendien wil je het liefst van elke cel een afzonderlijk bouwsteentje maken, om zo flexibel mogelijk te bouwen.

Daarom gebruiken Kamperman en zijn collega’s minuscule chips. Een kanaal met cellen komt samen met een kanaal met de ingrediënten voor de gel, en op dat moment ontstaat er een laagje gel om de cel. “Dit proces werkt goed, maar het gaat heel langzaam”, vertelt Kamperman. “Als we een milliliter gel met cellen willen maken, kost dat bijna zeventien uur. Zo lang overleven die cellen het niet buiten een kweekstoof.”

In de lucht

Dus gooiden de onderzoekers het over een andere boeg. Ze gingen in-air microfluidica gebruiken. “Eigenlijk doen we hetzelfde als op de chip, maar we laten de stromen nu in de lucht bij elkaar komen”, legt Kamperman uit. “We laten de stromen een beetje trillen waardoor ze afzonderlijke druppels vormen. Je bepaalt zelf waar die druppels terechtkomen en zo bouw je de structuur op.” Om het idee te testen plaatste Kamperman een ronddraaiend oppervlak onder zijn druppels en vormde zo een soort tube. Dit kostte slechts een paar minuten.

Het grote voordeel van deze techniek is volgens Kamperman niet alleen de snelheid. “Je kunt bepaalde moleculen of cellen toevoegen aan beide stromen, om zo de gewenste structuur te krijgen.” Zo liet de promovendus cellen die insuline produceren reageren met de gel, waarin hij weer een ander soort cel had gestopt, namelijk cellen met een bloedvatstructuur. “Zo krijg je een soort van simpele alvleesklier.”

https://vimeo.com/253422847#at=1

Continu

Ondanks de snelheid valt er nog wel wat te verbeteren. “Het proces gaat nu erg snel, maar je kunt het niet onderbreken. Het gaat maar door, dus lopen de kosten al snel op als je dure materialen gebruikt.” Ook zou het mooi zijn als de onderzoekers de stromen tijdens het proces kunnen aanpassen, om structuren te maken met verschillende eigenschappen op verschillende plekken.

Nu het idee blijkt te werken, proberen de Twentenaren in ieder geval of de techniek om te bouwen tot een makkelijk bruikbaar apparaat. “Veel wetenschappers hebben baat bij een apparaat dat op deze snelle manier cellen in een gel kan printen”, zegt Kamperman. “Het is bijvoorbeeld bekend dat je stamcellen beter in een gel kunt stoppen voor je ze in een lichaam injecteert, dan blijven ze langer op de juiste plaats zitten. Onze ontdekking kan dit soort processen een stuk makkelijker maken.” We zullen volgens Kamperman nog wel even moeten wachten op hele geprinte organen: “Maar we werken hard om de techniek zo snel mogelijk verder te ontwikkelen.”

Bron:
•Claas Willem Visser e.a., In-air microfluidics enables rapid fabrication of emulsions, suspensions, and 3D modular (bio)materials, Science (2018), DOI: http://dx.doi.org/10.1126/sciadv.aao1175

(kennislink)

16-02-2018

Op naar het volgende waanzinnige project: SpaceX test eerste van 4.425 satellieten die hele wereld van goedkoop internet moeten voorzien

.
 © AP - Beeld van een lancering van SpaceX met een Falcon 9 op Cape Canaveral.

iHLN Na de lancering van de Falcon Heavy vorige week – en een Starman die in een Tesla door de ruimte zweeft – maakt SpaceX zich op voor de volgende buitengewone missie: ‘Project Starlink’. De eerste twee testsatellieten worden dit weekend gelanceerd.

Drie jaar geleden onthulde SpaceX-CEO Elon Musk Project Starlink in Seattle. Met het breedbandproject wil hij met zijn ruimtevaartmaatschappij duizenden met elkaar verbonden satellieten in de ruimte sturen. Doel? De hele wereld goedkoop van razendsnelle internettoegang voorzien. SpaceX wil in totaal een slordige 4.425 kleine satellieten (zo groot als een gemiddelde auto) in een lage baan om de aarde brengen, zo’n 1.100 tot 1.325 kilometer boven ons. Dit weekend gaan de eerste twee testsatellieten de lucht in, zo blijkt uit een brief van SpaceX naar de Amerikaanse Federal Communications Commission. SpaceX geeft voorlopig geen officiële bevestiging, maar had eerder wel al aangekondigd dat eind 2017 of begin 2018 de eerste proefsatellieten zouden vertrekken.

Waarom Musk het ook nu weer in de ruimte gaat zoeken? Omdat een netwerk van satellieten met goedkope grondstations op ongeziene wijze de huidige moeilijkheden en kosten van internettechnologie op de grond kan omzeilen. “De typische uitdagingen op de grond worden verholpen door een breedbandnetwerk in de ruimte”, verklaarde Patricia Cooper van SpaceX eerder. Ondanks dat Musk zelf duidelijk wel wat geld op overschot heeft, is hij vaak op zoek naar manieren om kosten te drukken. Getuige zijn baanbrekende recyclage van raketten.



 © Photo News - De boosters van de Falcon Heavy landden weer mooi op de grond, klaar voor hergebruik.

Race om het internet

Daarnaast is Musk een competitief man, die ook in de steeds competitiever wordende race van betaalbare internettoegang wil meespelen. Neen, winnen. SpaceX is immers niet de enige die globaal razendsnel internet uit de ruimte wil domineren. Zo heeft een ander privébedrijf met de naam OneWeb gelijkaardige ambitieuze plannen. OneWeb zou volgens Geekwire onder meer samenwerken met Blue Origin, het ruimtebedrijf van die andere miljardair - Amazon-baas Jeff Bezos - en met Virgin Orbit, een ruimtevaartbedrijf dat onderdeel is van de Virgin Group van miljardair nummer drie, Richard Branson. Niet alleen de race om de ruimte, maar ook de race om het internet is ingezet.

Waar Elon Musk met de lancering van de Falcon Heavy los de voorsprong nam in de nieuwe ruimterace tussen miljardairs en hun private bedrijven, lijkt hij ook nu in poleposition. In 2015 rapporteerde The Washington Post dat grote bedrijven Google en Fidelity 1 miljard in het ruimtebedrijf van Musk pompten, deels om Project Starlink te steunen. Het is dan ook waarschijnlijk dat als het Starlink-netwerk functioneel wordt, deze bedrijven er deels de controle over zullen nemen. Het moederbedrijf van Google, Alphabet, werkt overigens zelf ook aan internetconnectiviteit op grotere hoogtes - met satellieten, ballonnen en drones. Facebook wilde in 2016 samen met het Franse Eutelsat met een satelliet gratis internet aanbieden in Sub-Saharisch Afrika, maar die droom ging in rook op toen de SpaceX-raket die de satelliet moest lanceren, ontplofte. Andere initiatieven van Facebook omvatten het gebruik van drones op zonne-energie.


 © REUTERS - SpaceX-oprichter Elon Musk op de persconferentie na de eerste lancering van de Falcon Heavy op Cape Canaveral.

Wereldverbeteraar

Ook de wereldverbeteraar in Musk kan zich niet bedwingen: een globaal internetnetwerk dat goedkoop is en in sommige regio’s zelfs gratis voorzien kan worden, kan de bestaande issues rond ongelijke internettoegang oplossen. En dat louter met een ontvanger ter grootte als een laptop. Let wel, ook hier America First, want eerst zouden enkel de Verenigde Staten van het internet van Starlink kunnen proeven, pas later wordt het uitgerold naar de rest van de wereld. Een satellietnetwerk van 800 exemplaren zou snelle internettoegang naar de VS, Puerto Rico en de Maagdeneilanden kunnen brengen, met 4.425 satellieten mikt SpaceX op wereldwijde dekking. De hele planeet online dus, omwikkeld met een dekentje van 1-gigabit-per-seconde-internet.


 © REUTERS - Beeld van een lancering van een SpaceX Falcon 9-raket.

2024

De twee testsatellieten (Microsat 2a en 2b) zullen dit weekend vanop de Vandenberg Air Force Base in Californië met een Falcon 9 in de ruimte worden geschoten, samen met de primaire lading: een grote Spaanse observatiesatelliet met de naam ‘Paz’. De experimentele Microsats zullen communicatie met grondstations testen, blijkt uit documenten. Zo zijn bijvoorbeeld verschillende kantoren van SpaceX een grondstation, maar ook het hoofdkwartier van Musks autobedrijf Tesla (niet toevallig hebben Tesla’s een 4G-internetverbinding). Ook drie mobiele ‘testbusjes’ staan in verbinding met de prototypes. Vanaf volgend jaar moeten dan de eerste ‘echte’ operationele internetsatellieten de ruimte in. Tegen 2024 wil SpaceX alle satellieten van Project Starlink hebben gelanceerd.

Kostenplaatje? Zeker tien miljard dollar, maar volgens Musk moet die investering zich al snel terugbetalen. De markt is tientallen of zelfs honderden miljarden dollars per jaar waard, schat SpaceX. En die markt zal alleen maar groeien als steeds meer mensen online zijn. En zo hoopt Musk dat de hele wereld uiteindelijk mee zijn ultieme droom zal financieren: een kolonie op Mars. Aha, zo zit dat.

(HLN)

20-02-2018

Japanners ontwikkelen 'tweede huid' die vertelt hoe het met je gaat

De ‘huid’ verzamelt biometrische gegevens en stuurt deze naar je smartphone of je huisarts.

Het is het nieuwste van het nieuwste op het gebied van ‘huidelektronica’: een stukje bijzonder dun en flexibel rubber met daarin verschillende sensoren. Je kunt het op je huid plakken, waar het vervolgens je vitale functies monitort en zelfs een hartfilmpje kan maken. De resultaten kunnen naar je smartphone gestuurd worden of worden opgeslagen in de cloud. Ook kan het stukje rubber je eigenhandig vertellen hoe het met je gaat, bijvoorbeeld door een afbeelding van een opgestoken duim te vertonen.

Zacht en flexibel
En het mooie is dat de elektronica je niet in de weg zit, aldus de onderzoekers. Want het stukje rubber voelt als een tweede huid. Het is heel zacht en flexibel. Zo kun je het gemakkelijk 45% langer trekken, zonder dat het daarbij beschadigt. Bovendien is het veel beter bestand tegen slijtage dan eerdere draagbare displays. Experimenten tonen bovendien aan dat je het gemakkelijk een week lang kunt dragen, zonder dat je huid daar nadeel van ondervindt.


Het duimpje onthult dat het – voor zover de sensoren in de tweede huid kunnen nagaan – met de gezondheid wel goed zit. Afbeelding: 2018 Takao Someya Research Group.

Ouderen
De onderzoekers zien grote mogelijkheden voor hun elastische display. Zo is het bijvoorbeeld heel geschikt voor ouderen. “De vergrijzende samenleving vereist gebruiksvriendelijke draagbare sensoren voor het monitoren van de vitale functies van patiënten,” aldus onderzoeker Takao Someya. Dat ontlast niet alleen de patiënt zelf, maar ook de verpleging en familie. “Ons systeem kan in die behoefte voorzien en uiteindelijk leiden tot een betere kwaliteit van leven.”

De komende tijd zal het display verder verbeterd worden. De onderzoekers verwachten het binnen drie jaar op de markt te kunnen brengen.

(scientias.nl)

21-02-2018

Ster S0-2 kan worden gebruikt voor ‘Einstein-proef’


De omloopbaan van S0-2 (lichtblauw) rond het centrale zwarte gat van de Melkweg zal worden gebruikt om Einsteins algemene relativiteitstheorie te toetsen. (S. Sakai/A.GHEZ/W.M. Keck Observatory/UCLA Galactic Center Group)

Astronomen hebben vastgesteld dat de ster S0-2, die op betrekkelijk kleine afstand om het superzware zwarte gat in het centrum van ons Melkwegstelsel draait, geen begeleider van betekenis heeft. Dat maakt hem geschikt voor het testen van een voorspelling van Einsteins algemene relativiteitstheorie. Als S0-2 deel had uitgemaakt van een dubbelstersysteem, zou dat veel moeilijker zijn geweest (The Astrophysical Journal, 6 februari).

Dat S0-2 ‘alleenstaand’ is, blijkt uit spectroscopische waarnemingen met de Keck-telescoop op Hawaï. Als er een tweede ster in het spel was, zouden de lijnen in dat spectrum merkbaar heen en weer schuiven, maar dat is dus niet het geval.

Einsteins algemene relativiteitstheorie voorspelt dat lichtgolven die uit een sterk zwaartekrachtsveld komen enigszins worden uitgerekt, waardoor hun golflengte naar de rode kant van het spectrum schuift. Verwacht wordt dat dit verschijnsel bij S0-2 rechtstreeks meetbaar zal zijn wanneer de ster dit voorjaar zijn kleinste afstand tot het centrale zwarte gat bereikt. (EE)

(allesoversterrenkunde)

23-02-2018

Eiwit trekt DNA door zichzelf heen
Werking van condensin nu onomstotelijk bewezen, aldus Delftse onderzoekers

In een cel ligt het DNA er nogal rommelig bij. Best gek voor zoiets belangrijks. Maar als de cel gaat delen, is al het DNA keurig ingepakt. Hoe doet de cel dat? Onderzoekers van de TU Delft hebben nu gefilmd hoe het eiwit condensin de lange slierten DNA netjes ordent.


De belangrijkste stappen tijdens de celdeling. Na het kopiëren (replicatie) van het DNA worden de chromosomen gevormd.

 Mysid/NCBI via Wikimedia Commons CC0

Voordat een levende cel kan gaan delen, is het zaak eens flink op te ruimen en te sorteren. Want alles wat in de cel zit, moet straks precies gelijk worden verdeeld. Dat geldt bij uitstek voor het erfelijk materiaal van de cel, het DNA. Want als daar fouten worden gemaakt, kunnen cellen ontsporen met ziekten als bijvoorbeeld kanker tot gevolg.

Het ordenen van het DNA is niet zo eenvoudig. DNA-moleculen zijn extreem lange, dunne strengen die normaal gesproken als een ongeorganiseerde kluwen ronddobberen. Moeilijk om zo’n rommeltje te verdelen in twee identieke porties. Maar als de cel klaar is om te delen, zit al het DNA overzichtelijk ingepakt in de chromosomen. Dit zijn de x-vormige structuren die vervolgens uit elkaar worden getrokken, zodat iedere dochtercel over dezelfde voorraad DNA beschikt. Hoe krijgt de cel al dat DNA zo netjes opgevouwen?



Animatie van de werking van condensin. Credits: Scixel en Cees Dekker Lab

Compacter maken

Zoals voor ieder ander klusje dat de cel moet klaren, zijn er ook voor het opvouwen van het DNA speciale eiwitten beschikbaar. Een van die eiwitten is condensin. Dat is een groot eiwit met een opening in het midden. Condensin pakt het DNA bij elkaar, waardoor het geheel compacter wordt en netjes opgerold kan worden tot een soort cilinder; de ene helft van een chromosoom.

De vorm van condensin leverde inspiratie voor twee theorieën over de manier waarop dit eiwit te werk gaat. Volgens de ene theorie werkt condensin als een karabijnhaak – die bergbeklimmers ook gebruiken – en grijpt zo stapsgewijs steeds een stuk van het DNA waardoor het geheel bij elkaar getrokken wordt. De andere theorie stelt dat condensin aan de streng DNA plakt en dan de streng door zichzelf heen trekt, waardoor aan één kant een lus wordt gevormd. Door al deze lussen ontstaat een compacter geheel dat makkelijker opgevouwen kan worden.

In september 2017 publiceerde de onderzoeksgroep van Cees Dekker, hoogleraar moleculaire biofysica aan de Technische Universiteit Delft, in het tijdschrift Science hun vondst dat condensin ook een zogeheten motoreiwit is; een eiwit dat energie kan omzetten in actieve beweging. Het onderzoeksteam liet zien dat condensin zich over relatief grote afstand kan verplaatsen over een DNA-streng. Daarin zagen Dekker en collega’s een sterke aanwijzing dat condensin lussen vormt door het DNA actief door zichzelf heen te trekken, want daarvoor is beweging noodzakelijk. Maar een keihard bewijs was er niet. Daar wees ook een begeleidend commentaar op. ‘Goed begin, maar geen bewijs. Laat eerst maar eens zien dat zo lussen ontstaan’, was de strekking.

Asymmetrisch lussen trekken

En dat is precies wat Dekker en zijn groep nu hebben laten zien. Letterlijk, want ze hebben het proces gefilmd. Mahipal Ganji, postdoc in de Dekker-groep, zette een stuk DNA met beide uiteinden vast en voegde vervolgens condensin en ATP toe. ATP (adenosinetrifosfaat) is de belangrijkste energiedrager in levende cellen. Dit molecuul bevat drie fosfaatgroepen en door een van die groepen af te breken komt er energie vrij. Condensin gebruikt die energie om zichzelf langs de DNA-streng voort te bewegen en zo de streng door zichzelf heen te trekken. De aanwezigheid van ATP is essentieel. Ganji voerde hetzelfde experiment ook uit zonder ATP of met varianten op ATP waar geen fosfaatgroep af kan, en in die gevallen gebeurde er niets. Condensin heeft ATP nodig om zijn taak uit te voeren.


Opname waarin de vorming van de lus goed is te zien. Ook zie je dat de DNA-streng maar van één kant door het condensin heen wordt getrokken. Credits: Cees Dekker Lab

Om het proces zichtbaar te maken, voegde Ganji lichtgevende ‘stickers’ toe aan het stukje DNA. Toen condensin in actie kwam, was duidelijk te zien dat de hoeveelheid lichtgevend DNA zich op een bepaald punt ging concentreren. Hier kwam meer DNA bij elkaar in de buurt doordat er een lus ontstond. Ook was goed te zien dat condensin asymmetrisch werkt. Eén kant verankert zich aan de DNA-streng en beweegt niet, waardoor het stuk DNA tussen die kant van condensin en het uiteinde constant blijft. Het andere deel van het eiwit haalt de streng binnen en aan die kant wordt de ‘vrije’ DNA-streng dus ook steeds korter.



Opname waarin condensin (rood) bindt aan de DNA-streng (groen). Een punt op het DNA gaat steeds feller oplichten, doordat daar de lus ontstaat en er dus meer DNA dicht bij elkaar komt. Credits: Cees Dekker Lab

Wat de Delftenaren betreft is de hiermee ‘onomstotelijk bewezen’ hoe condensin de lussen vormt. Maar voor zo’n sterke claim zou het mooi zijn als ze dit resultaat ook kunnen laten zien in een experiment dat iets meer de omstandigheden in een levende cel nabootst.

Bron:

M. Ganji, I.A. Shantiel, S. Bisht, E. Kim, A. Kalichava, C.H. Haering, C. Dekker, Real-time imaging of DNA loop extrusion by condensin, Science (2018), doi:10.1126/science.aar7831

(nemokennislink.nl)

07-03-2018

Vliegende auto eindelijk realiteit



Tien jaar is er gewerkt aan de vliegende auto van het Nederlandse bedrijf PAL-V. Het eerste model wordt tot 18 maart gepresenteerd op de Autosalon van Genève. PAL-V noemt de wereldwijde première een mijlpaal voor mobiliteit.

‘Over de hele wereld zijn er bedrijven die werken aan een vliegende auto, maar dat de eerste uit Raamsdonksveer moet komen is toch wel een unicum’, zegt Marco van den Bosch, director marketing & sales Benelux bij PAL-V en voormalig helikoptervlieger bij de luchtmacht.

De vliegende auto kan op de gewone weg tussen het verkeer rijden en heeft daar een maximumsnelheid van 160 km/h. Hij kan opstijgen van een startbaan met een lengte van minimaal 180 m en vliegend op een volle tank 500 km afleggen. De maximumsnelheid in de lucht is 180 km/h. De PAL-V rijdt en vliegt op Euro 95, Euro 98 of E10. Voor het landen volstaat een landingsbaan met een lengte van slechts 30 m.

De techniek achter de vliegende auto is gebaseerd op de gyrocopter, een vliegtuig met draaibare vleugel die in 1923 werd uitgevonden. ‘De gyrocopter is de meest veilige manier van vliegen’, zegt Van den Bosch. ‘De propeller achterop zorgt voor de voorwaartse snelheid, terwijl de rotor op het dak alleen door de wind draait. Bij totale motoruitval blijft de rotor bovenop gewoon draaien, waardoor het een soort vliegende parachute wordt. Dan heb je alle tijd om te landen.’

De bestuurder heeft een gyrocopterbrevet nodig. Een vliegplan indienen bij de luchtverkeersleiding is niet altijd nodig. ‘Als je onder de 1.200 m blijft hoeft dat niet en de PAL-V blijft daar meestal onder.’ Van de eerste versie worden er 90 stuks gebouwd. Het prijskaartje bedraagt ¤ 600.000. Daarna staat een basisversie op de rol die met dik ¤ 350.000 iets vriendelijker geprijsd is.

(technischweekblad.nl)

09-03-2018

Diamant geeft diepste geheimen aarde prijs



Voor de eerste keer is het mineraal silicaatperovskiet gevonden aan de oppervlakte van de aarde.

Silicaatperovskiet is het vierde meest voorkomende mineraal op aarde, maar het was nog nooit door mensen waargenomen. Het valt namelijk uit elkaar boven een diepte van ongeveer 650 kilometer. Toch is het nu gevonden, dankzij een stukje diamant dat op minder dan een kilometer diepte in de aardkorst zat. Het bijzondere steentje werd omhoog gehaald in de Cullinan-diamantmijn in Zuid-Afrika.

Het mineraal zit opgesloten in de diamant. Het onderzoeksteam polijstte de diamant zodat met een spectroscoop bevestigd kon worden dat het mineraal binnen inderdaad het vluchtige CaSiO3 was.

Scheikundigen schatten dat de lage mantel van de aarde voor wel 93 procent uit silicaatperovskiet bestaat, maar tot nu toe was het niet meer dan een theorie. Nu ze het eindelijk in handen hebben, kunnen de wetenschappers het mineraal echt gaan onderzoeken.

De edelsteen zelf is maar 0,031 millimeter breed, en is ook een enorm zeldzame vondst. De meeste diamanten onstaan op 150 tot 200 kilometer diepte. Deze diamant moet echter ontstaan zijn op een diepte van 700 kilometer, aldus de onderzoekers. Op die diepte is de druk 240.000 keer groter dan de atmosferische druk op zeeniveau.

Het was die ongelofelijke druk die de steen gevormd heeft, met de perovskiet binnenin. Diamant is enorm sterk, en daardoor bleef het mineraal intact terwijl de diamant richting het aardoppervlak bewoog.

De ontdekking heeft nu al fascinerende informatie opgeleverd over hoe de mantel van de aarde is ontstaan. De specifieke samenstelling van het perovskiet in de diamant laat heel duidelijk zien hoe de aardkorst gerecycled wordt in de onderste mantel van de aarde. Het is sterk bewijs van wat er gebeurt met tektonische platen als ze in de diepte van de aarde verdwijnen.

(faqt.nl)

09-03-2018

Laser komt om de hoek kijken

Onderzoekers van de Amerikaanse Standford Universiteit ontwikkelden een systeem waarmee ze via een laser en lichtsensor een beeld vormen van een object achter een ondoorzichtige wand. Zelfrijdende auto’s zien hiermee in de toekomst wellicht wel het verkeer ‘om de hoek’ aankomen.

Hebben we allemaal niet eens gewenst dwars door muren heen te kunnen kijken? Amerikaanse wetenschappers krijgen dit kunstje nu voor elkaar met een lasersysteem. Ze vormen hiermee een accuraat beeld van verschillende objecten die zich achter een muur bevinden, zoals bijvoorbeeld een beeldje van een konijn. Het systeem maakt handig gebruik van het licht dat de objecten reflecteren.


Impressie van de opstelling.


Het systeem bestaat uit een beweegbare laser en een gevoelige sensor die de lichtintensiteit op een bepaald punt bepaalt. De wetenschappers gebruiken een wand of ondoorzichtig doek om een object te verhullen voor hun meetsysteem. Met laserlicht dat via een tweede muur op het object valt, én weer via diezelfde muur terugkaatst naar het lasersysteem vormt een computer een beeld.

Er zijn al lasersystemen (ook wel LIDAR genoemd) die een omgeving in kaart brengen met direct gereflecteerd licht van objecten. Deze moeten zich dan in het zicht van de LIDAR bevinden. Dat laatste hoeft dus niet bij de vinding uit Standford, die informatie haalt uit het licht dat door (niet-spiegelende) oppervlaktes alle kanten op wordt gereflecteerd. De wetenschappers denken overigens wel dat ze bestaande LIDAR-systemen kunnen aanpassen zodat ze uiteindelijk met hun techniek ook om de hoek kunnen kijken. Het onderzoek is deze week in het wetenschappelijke tijdschrift Nature gepubliceerd.

Om de hoek

Er zijn al verschillende (experimentele) systemen ontwikkeld die via een muur om een hoekje kunnen spieken. Een mooie techniek, maar de signalen zijn vaak zwak, waardoor het verzamelen van informatie meestal lang duurt. Bovendien duurt het nog veel langer om met een computer het beeld te reconstrueren uit de beperkte informatie.


Veel zelfrijdende auto’s, zoals dit exemplaar van Google, zijn op het dak uitgerust met LIDAR om de omgeving in kaart te brengen.

Het nu gepresenteerde systeem werkt sneller dan eerdere methodes. Het verzamelt informatie over het verborgen object door met de beweegbare laser een lichtpunt te creëren op de (tweede) muur. Dat gebeurt met korte lichtpulsen van slechts tientallen picoseconden (een picoseconde is 0,000.000.000.001 seconde). Vanaf dit punt op de muur valt een deel van het licht op het verborgen object, dat weer een kleine fractie van het licht terugkaatst dat op de muur valt. Door minutieus naar de timing van het licht op de muur te kijken, kan een lichtsensor bepalen hoe ver het licht heeft gereisd en bepalen hoe ver weg het verborgen object is.

De onderzoekers van Standford passen vervolgens een aantal slimme trucs toe om sneller een beeld te vormen. Zo gebruiken ze de beweegbare laser om de meting voor een groot aantal punten op de muur te doen. Een gemiddelde scan bestaat uit enkele duizenden punten, verdeeld over een oppervlak van ruwweg een meter bij een meter. Ook al duurt het opnemen van één punt niet zo lang, alle punten meten kan altijd nog tussen de twee minuten en een uur duren.

Juist op het gebied van beeldbewerking wint het nieuwe systeem veel tijd ten opzichte van eerdere systemen. Zelfs op een laptop duurt de informatieverwerking pakweg een seconde. “We hebben een manier gevonden om relatief snel een inschatting te maken van hoe het verborgen object er ruwweg uitziet”, laat hoofdonderzoeker Matthew O’Toole per mail weten. “Dat is essentieel, want daarna kunnen we er al bestaande en efficiënte algoritmes op loslaten die het beeld scherper maken.”


Een pop (link) waarvan later een reconstructie is gemaakt (rechts).

 Standford University/O’Toole et al.

De wetenschappers lieten zien dat ze accurate beelden konden vormen van een konijnenbeeldje, een pop en een ‘Exit’-bord (inclusief de tekst op dat bord). Wanneer het object zelf reflecterend is, zoals een verkeersbord, dan werkt het systeem volgens de onderzoekers nog beter.

In de echte wereld

Wat is nu de kans dat we deze techniek ook buiten het gecontroleerde laboratorium gaan terugvinden? Werkt het ook in een wereld met sterk wisselende lichtomstandigheden en oneindig veel verschillende reflectieve eigenschappen van oppervlaktes? De onderzoekers laten zien dat het systeem ook buiten (in de zon) werkt. “Onze aanpak lijkt redelijk robuust. Het werkt bijvoorbeeld ook bij een muur met een wisselend oppervlak, zonder dat we het algoritme aanpasten”, zegt O’Toole.

Het mooie is dat je de eerder genoemde bestaande LIDAR-systemen wellicht uit kunt rusten met dergelijke algoritmes. Ook dat probeerden de wetenschappers al, maar ze laten weten dat er nog werk te doen is voordat deze systemen ook om de hoek kijken.


(nemokennislink.nl)

12-03-2018

Moleculen reageren onder grote druk

Kunnen we straks met minder energie chemische reacties laten verlopen? Wetenschappers slaagden er via mechanische krachten in om selectief een binding in een kristal te verbreken. Het is de eerste keer dat onderzoekers dit lukt.



Een cel bestaande uit twee diamanten die hele hoge druk kunnen opwekken.

Chemische reacties zijn vaak ingewikkeld. Je hebt stoffen die met elkaar moeten reageren, je lost ze op in een vloeistof en om te zorgen dat de reactie daadwerkelijk op de juiste manier verloopt voegen chemici nog extra chemicaliën toe. En dan kost het vaak nog veel energie om het product te zuiveren. Dit kan ook anders: met mechanochemie. Onderzoekers van onder andere de Stanford Universiteit in Amerika hebben het nu voor het eerst voor elkaar gekregen om een verbinding te verbreken door hun molecuul onder hoge druk samen te persen.

Vuurstenen

Voor mechanochemie gebruik je geen oplosmiddelen of extra hulpstoffen, maar start je de reactie met mechanische krachten zoals wrijving of druk. Een bekend voorbeeld is de vonken die ontstaan als je vuursteen en ijzer tegen elkaar slaat. In Nederland doen momenteel niet veel wetenschappers onderzoek naar deze technieken, maar groepen in het buitenland lukte het al om met pure trekkracht polymeren uit elkaar te halen of ringvormige moleculen te openen. “Je kunt vergelijken met het legeren van metalen, dat gebeurt ook met mechanische krachten die ervoor zorgen dat de metalen die normaal onmengbaar zijn wel mengen”, vertelt Hessel Castricum, onderzoeker aan de TU Delft.


In de groep van Nicolas Milosh, hoogleraar materiaalkunde en technologie aan de Stanford Universiteit, zetten ze deze techniek nu voor het eerst in om specifieke verbindingen in een molecuul te verbreken. Om dit te doen heb je een hoge isotrope druk nodig, dat is druk die van alle kanten tegelijk op de moleculen drukt. Daarom gebruiken ze een speciaal apparaat met twee stukken diamant die elkaar op platte punten raken. “Hiertussen kunnen we de druk enorm opvoeren”, zegt Milosh. “Want alle druk concentreert zich op dat kleine oppervlak van de punt.”

Verbinding verbroken

Tussen de diamanten leggen de Amerikanen hun moleculen. Voor dit experiment gebruiken ze kristallen die zachte en harde delen bevatten. Ze combineren de harde diamandoïden – kleine kooi-achtige moleculen opgebouwd uit koolstof en waterstof – met zachte, flexibele ketens ertussenin. Terwijl ze de druk opvoeren, volgen ze met röntgenstraling de vervorming en chemische samenstelling en analyseren ze wat er gebeurt. “Normaal gesproken vervormen kristallen uniform, dus op alle plekken hetzelfde”, legt Milosh uit. “Maar wij zagen een reactie in de zachte delen, er verplaatsen elektronen en de binding breekt.”


De harde, stijve delen in dit molecuul zorgen ervoor dat onder hoge druk specifiek een binding ertussen breekt.

Uit berekeningen en metingen bleken de harde delen in het kristal voor deze reactie te zorgen. Milosh: “Die blijven stijf en bewegen ten opzichte van elkaar, waardoor er nog meer kracht wordt uitgeoefend op het zachte deel. Uiteindelijk breekt deze binding.”

Selectief

Castricum noemt het resultaat van het onderzoek erg interessant: “Ze hebben het molecuul expres asymmetrisch opgebouwd, waardoor ze selectief een binding breken. Het is voor het eerst dat dit op deze manier, onder isotrope druk, lukt. Bovendien hebben ze de vervorming precies kunnen volgen, waardoor je veel informatie krijgt over hoe zulke reacties verlopen.”

Een toepassing lijkt alleen nog wel ver weg, geeft Milosh toe: “Het is een eerste stap, een bewijs dat we het kunnen. We gaan nu proberen om systemen te ontwikkelen voor reacties die normaal gesproken moeilijk verlopen, zoals het omzetten van CO2.” Castricum weet ook niet direct een toepassing, maar ziet wel voordeel in het gebruik van mechanochemie: “Voor bepaalde reacties heb je veel minder materiaal nodig en je produceert nauwelijks afval. Dit kan erg aantrekkelijk zijn voor industriële processen. Ook geeft mechanochemie meer inzicht in hoe bepaalde reacties verlopen, daaraan levert dit soort onderzoek een belangrijke bijdrage.”

Bron:
•Hao Yan e.a., Sterically controlled mechanochemistry under hydrostatic pressure, Nature (2018), DOI: http://dx.doi.org/10.1038/nature25765

(nemokennislink.nl)

Britse natuurkundige Stephen Hawking (76) overleden

De Britse natuurkundige en kosmoloog Stephen Hawking is woensdag overleden in zijn woonplaats Cambridge. Hawking (76) was al op vroege leeftijd aan een rolstoel gekluisterd door de spierziekte ALS, maar zijn denkvermogen en enthousiasme om ingewikkelde wetenschappelijke ideeën aan een breed publiek uit te leggen werden nooit aangetast.
Zijn dood werd bekendgemaakt door zijn kinderen, Lucy, Robert en Tim. "We zijn diepbedroefd dat onze geliefde vader vandaag is overleden. Hij was een groot wetenschapper en een buitengewone man, wiens werk en nalatenschap vele jaren zullen voortleven."

De natuurkundige en kosmoloog had ondanks zijn beperkingen een tomeloze ambitie om het ontstaan van leven, planeten en zwarte gaten te verklaren. “Mijn doel is eenvoudig”, schreef hij in zijn boek Stephen Hawking’s Universe. “Een volledig begrip van het universum, waarom het is zoals het is en waarom het überhaupt bestaat.”

Stephen Hawking laat twee ex-vrouwen en drie kinderen achter. Hij schreef ruim tweehonderd wetenschappelijke publicaties, dertien boeken (waarvan zes co-auteur) en vier kinderboeken over kosmologie met zijn dochter Lucy.

De Brit was een van de meest prominente wetenschappers in zijn gebied, regelmatig te gast in tv-shows, een media-icoon en won vele prijzen vanwege zijn ontdekkingen in de kosmologie. Hij kreeg zelfs een natuurkundig fenomeen naar zich vernoemd, de zogeheten Hawkingstraling.

Oxford
In het Engelse Oxford werd op 8 januari 1942 Stephen William Hawking geboren. Hij was de zoon van de Engelse Frank en de Schotse Isobel Hawking. Na Stephen volgden nog twee dochters, Philippa en Mary, en een geadopteerde zoon Edward.

Het leven als boekenwurm werd al op vroege leeftijd met de paplepel ingegoten. De maaltijden in het intelligente, excentrieke, maar ook armoedige gezin werden vaak in stilte met een boek genuttigd. Toen Hawking 17 jaar oud was, werd hij toegelaten tot de Universiteit van Oxford. Daar studeerde hij Natuurkunde.

Hawking was tijdens zijn studie geen harde werker, maar haalde door zijn intelligentie alle vakken die nodig waren om af te studeren. Tijdens zijn studie kreeg hij een relatie met Jane Wilde, met wie hij later zou gaan trouwen.

ALS
In zijn laatste studiejaar werd Hawking echter enorm klunzig en bewoog hij vaak ongecoördineerd. De Brit viel regelmatig en begon te slissen. Op aandringen van zijn familie liet hij zich medisch onderzoeken. Op 21-jarige leeftijd werd de ongeneeslijke spierziekte ALS geconstateerd.

Hawking kreeg van zijn artsen een levensverwachting van twee jaar. “Mijn verwachtingen werden tot nul gereduceerd toen ik 21 jaar was. Alles wat ik sindsdien heb gedaan, is een bonus”, onthulde Hawking in een interview met New York Times Magazine in 2004. “Ïk ben niet bang voor de dood, maar ik heb ook geen haast met sterven.” Uiteindelijk wist hij de ziekte ruim vijftig jaar lang te beheersen.

“Hij is uitzonderlijk”, verklaart Nigel Leigh, een hoogleraar klinische neurologie van King’s College in Londen. “Ik ken niemand die al zo lang met ALS leeft. Het is niet alleen bijzonder dat hij al die tijd in leven is gebleven, maar ook dat de ziekte bij hem opgebrand lijkt te zijn. Zijn situatie lijkt stabiel te zijn, en dat is extreem zeldzaam.”

Rijzende ster
In 1965 trouwt hij met Jane Wilde, die tijdens zijn diagnose en verval zijn steun en toeverlaat was. Met Wilde krijgt Hawking drie kinderen: zonen Robert en Timothy en dochter Lucy.

De wetenschapper werkte samen met Roger Penrose aan theorieën over het ontstaan van het universum. Hawking verdiende voornamelijk bekendheid door zijn onderzoek naar zwarte gaten en singulariteiten.

Een singulariteit is een punt in de ruimte met een oneindig klein volume en een oneindig grote dichtheid. Rondom zo’n punt houden tijd en ruimte praktisch op met bestaan. Reguliere natuurkunde gedraagt zich volgens andere regels rondom een singulariteit. Hawking en Penrose publiceerden in 1970 een bewijs dat het universum ooit vanuit een singulariteit is ontstaan.

In 1966 won Hawkins zijn eerste grote prijs, namelijk de Adams Prize. In 1974 werd hij gekozen als zogeheten Fellow of the Royal Society. Dat is een erkenning voor al het werk dat iemand in de natuurwetenschappen heeft verricht. Sindsdien mocht hij de titel FRS achter zijn naam voeren.

Zijn doorbraak buiten de wetenschap bereikte hij met zijn boek A Brief History of Time (1988). Daarin beschrijft hij concepten zoals tijdreizen, zwarte gaten en stringtheorie. Voor die tijd waren dat baanbrekende ideeën, die ook nog eens op relatief begrijpelijk niveau werden uitgelegd.

Scheiding en tweede huwelijk
De Brit was tijdens zijn leven een aantal keer gevaarlijk dicht bij de dood. In 1985 liep hij een longontsteking op, die zo ernstig was dat aan zijn toenmalige vrouw Jane Wilde werd gevraagd of zijn leven moest worden beëindigd. Hawking wist zijn gezondheidsproblemen echter telkens te doorstaan.

Door de rijzende bekendheid van Hawking en de constante aanwezigheid van artsen en zusters kwam het huwelijk van Wilde en Hawking onder druk te staan. In 1991 besluiten zij te scheiden. In 1995 trouwt hij met Elaine Mason, een van de zusters die hem tijdens zijn longontsteking verzorgde.

Elaine Mason was daarnaast de ex-vrouw van David Mason, die de eerste versie van Hawkings spraakcomputer heeft ontworpen. Eind 2006 is Hawking ook van Elaine gescheiden.

Zoveel als hij over het universum wist te vertellen, zo weinig begreep hij het andere geslacht. “Vrouwen zijn een compleet mysterie voor mij”, verklaarde hij in 2012 tegenover New Scientist.

Cultureel fenomeen
Door zijn opvallende verschijning en humor was Hawking ook een cultureel fenomeen. Zijn gelijkenis was onder meer te zien in afleveringen van The Simpsons, Dexter’s Lab, Family Guy, Futurama en The Fairly OddParents. Ook speelde hij kleine rollen in The Big Bang Theory en Star Trek: The Next Generation.

Zijn stemcomputer werd in het nummer Talkin’ Hawkin’ van Pink Floyd te gebruikt. In 2014 kwam de Oscar-winnende film The Theory of Everything uit, waarin het vroege leven van de wetenschapper in werd uitgebeeld.

Hawkins was een prominent atheïst. Hij heeft altijd beweerd dat het universum zichzelf kon creëren door krachten zoals de zwaartekracht. In zijn boek Black Holes and Baby Universes (1993) schrijft hij: “Ik heb gemerkt dat zelfs mensen die beweren alles vooraf bepaald en dat wij daar niets aan kunnen doen, kijken voordat ze de weg oversteken.”

Stephen Hawking overleed op 14 maart in zijn woonplaats Cambridge.

Bron: https://www.nu.nl/buitenl(...)ng-76-overleden.html

16-03-2018

‘Ik wil de grens tussen levende en dode materie laten vervagen’

Interview met Peter Korevaar, chemicus die natuurlijke systemen wil nabootsen in synthetische materialen

Levende organismen communiceren heel slim met hun omgeving. Onze materialen kunnen dit nog niet, maar daar wil Peter Korevaar verandering in brengen. De Nijmeegse universitair docent onderzoekt synthetische materialen die je niet van levende organismen kunt onderscheiden.


Peter korevaar

Hoewel we planten meestal niet zien als slimme organismen, communiceren ze wel veel met hun omgeving en met soortgenoten. En dat zonder ook maar een woord te uiten. Toen een antilopesoort in Zuid-Afrika de acaciabomen kaal begonnen te vreten, maakten die bomen extra tannine aan en doodden daarmee drieduizend antilopen. Zelfs bomen die zelf nog geen last hadden van de veelvraten, bleken deze stof extra aan te maken omdat ze ‘gewaarschuwd’ waren door bomen in de buurt – die stootten de stof etheen uit. Dit soort slimme communicatie vind je terug in veel levende organismen, maar het lukt ons nog niet om deze slimheid na te bootsen in de spullen die wij maken. Maar als het aan universitair docent Peter Korevaar ligt, komt daar verandering in.

Korevaar promoveerde onder Bert Meijer, waar hij zelfassemblage onderzocht: moleculen die uit zichzelf grotere netwerken vormen. Daarna vertrok hij naar Harvard om te werken aan zogenaamde hydrogels; materialen bestaande uit 3D-netwerken die water opnemen en zo een gel vormen. In april 2017 startte Korevaar zijn eigen groep aan de Radboud Universiteit Nijmegen.

In zijn huidige onderzoek combineert hij zijn interesse voor materialen zoals hydrogels en levende systemen: “We willen levensechte synthetische materialen maken, die zich aanpassen aan hun omgeving.” Onlangs ontving Korevaar een NWO ‘start-up’-subsidie om zijn onderzoek verder uit te breiden. NEMO Kennislink sprak hem over zijn plannen.

Zijn de materialen die we nu gebruiken nog niet slim genoeg?

“Synthetische materialen die wij nu gebruiken, zoals metaal, plastic of glas, hebben één functie. Maar de levende natuur is ontzettend dynamisch en daar halen wij onze inspiratie vandaan. Er zijn een heleboel functies die levende materie wel kan hebben en dode materie niet. Of beter gezegd: nog niet. Daar ligt voor ons een mooie kans.”

“Als ultiem doel wil ik de grens tussen levende materie en dode materie laten vervagen. Nu is het totaal duidelijk wanneer iets leeft en wanneer niet, omdat er een enorm gat zit tussen wat synthetische materialen kunnen en de elegantie waarmee dat in de natuur gebeurt. Dat doel ligt nog ver weg, maar ik hoop dat ik stappen kan zetten en een bijdrage kan leveren.”

Wat voor materialen kunnen we dan verwachten?

“We zijn nu bijvoorbeeld bezig met hydrogels die tellen. Eencellige organismen zoals amoeben kunnen dit van nature, met het zogenoemde quorum sensing. Dit betekent dat ze door het opvangen van signaalmoleculen precies weten hoeveel andere amoeben zich om hen heen bevinden. Onze computers doen iets vergelijkbaars, maar chemisch gezien hebben we nog geen materiaal die dit kan.”

“Daarom werken we aan hydrogelbolletjes die dit soort gedrag vertonen. Dit zou kunnen lukken als je een netwerk maakt van chemische reacties die elkaar beïnvloeden, bijvoorbeeld door de omgeving zuurder te maken of te zorgen dat een bolletje inkrimpt of uitzet. Het is ons al gelukt om een hydrogel te ontwikkelen die kan herkennen of een chemische reactie in zijn omgeving heel snel of heel langzaam verloopt. Nu moet hij daar nog op reageren.”

Waar zou je zoiets voor gebruiken?

“Onze bolletjes zullen natuurlijk niet direct computers vervangen. Bovendien zijn we nog niet heel gericht bezig met het maken van specifieke toepassingen. We kijken meer in algemene zin of we materialen op een nieuwe manier kunnen maken. Uiteindelijk willen we materialen die zich op allerlei mogelijke manieren aanpassen aan hun omgeving, door bijvoorbeeld van vorm te veranderen.”

“Dit kan met allerlei materialen zoals hydrogels, maar we gebruiken ook veel moleculaire zelfassemblage. De verschillende onderdelen van dit soort systemen zitten niet sterk aan elkaar vast, dus dat maakt het mogelijk om het weer af te breken en op een andere manier op te bouwen. Als ons dat lukt zijn er zeker veel toepassingen te bedenken, zoals biosensoren die veranderingen in het lichaam of in het milieu kunnen detecteren, maar we moeten het eerst nog voor elkaar krijgen.”


Korevaar wil dit soort hydrogels aanpassen en met hun omgeving laten communiceren.
 Wikimedia Commons, Petra Klawikowski via CC BY 3.0

Maar de complexiteit zit toch al in de natuur? Kun je daar geen gebruik van maken?

“We zouden ervoor kunnen kiezen om te werken met eiwitten, cellen of DNA en dat in onze materialen te verwerken. Dat gebeurt al wel in andere onderzoeksgroepen in Nederland, maar wij willen onze materialen volledig synthetisch maken. Dat heeft deels te maken met de kosten. Synthetische materialen zijn vaak goedkoper als je ze uiteindelijk in een toepassing wilt gebruiken. Bovendien vraag ik me af: wat leer je ervan als je de natuur het werk laat doen? Ik wil juist graag tot op de bodem uitzoeken hoe de natuurlijke systemen verlopen, wat hun geheim is en dat dan nabootsen.”

“Het kan heel goed zo zijn dat onze technieken uiteindelijk hetzelfde opleveren als mensen die dit soort materialen maken door natuurlijke systemen te integreren. Op de lange termijn moeten we misschien wel gaan samenwerken, de verschillende aanpakken combineren en zo nog slimmere materialen maken. Maar als een klein onderzoekslab moet je toch kiezen, je kunt niet alles doen. En dan kies ik toch voor het begrijpen van de natuur door gedrag met synthetische bouwstenen na te maken.”

Welke toepassing zal het snelst op de markt verschijnen?

“Dat is lastig te zeggen. Sommige onderzoekers gebruiken al hydrogels in hun biomaterialen. Deze materialen implanteren ze in het lichaam en dan neemt het tijdelijk een functie over of laat het cellen weer groeien. Dat werkt al wel, maar je zou die biomaterialen veel slimmer kunnen laten reageren op wat er gebeurt in het lichaam. Bijvoorbeeld dat ze een extra medicijn loslaten als er een ontsteking optreedt.”

Zullen deze materialen het aantal benodigde grondstoffen op de wereld flink verminderen?

“Dat is nu nog te veel gevraagd, dat lossen we niet zomaar op. Maar je ziet wel dat de levende natuur veel efficiënter met materialen omgaat en ze slim hergebruikt. Dat zie je nog niet in het veld van de synthetische materialen. En als we materialen maken die hun bouwstenen op verschillende manieren kunnen samenstellen en weer loslaten, zet je wel een stap in de goede richting. Maar dat duurt nog wel even.”

Dit artikel is een publicatie van NEMO Kennislink.
© NEMO Kennislink, sommige rechten voorbehoude

(nemokennislink)

16-03-2018

Kúnnen we het maken?
Nieuwe mogelijkheden in de fosforchemie.



Voor organicus Chris Slootweg, sinds een jaar hoofddocent aan de Universiteit van Amster­dam, staat de esthetiek voorop. ‘Moleculen maken die er gewoon gaaf uitzien, maar niet direct een toepassing hebben.’ Onlangs presenteerde hij in Angewandte Chemie enkele grote stappen in de richting van zijn favoriet: monofosfatetrahedraan, een tetraëder van drie koolstofatomen en één fosforatoom. Tot nu toe bestaat die structuur alleen op papier.

Het was al een van zijn doelmoleculen toen Slootweg promoveerde bij Koop Lammertsma (Vrije Universiteit Amster­dam), in 2005. ‘Je loopt aan tegen de grenzen van de synthetische methodologie. Tot voor kort kon het gewoon niet. Dat we onze eigen state-of-the-artmethodes moeten ontwikkelen, is een van de leuke dingen aan dit project.’

Atoomeconomisch

Monofosfatetrahedraan is een analoog van tetrahedraan, C4R4. Dat bestaat wel, zij het alleen met tamelijk omvangrijke R’s: tert-butyl of trimethylsilyl aan elke C is wel het minste. Je maakt het bijvoorbeeld uit cyclobutadieen, een anti-aromatisch molecuul dat eveneens te instabiel is om zonder die restgroepen te overleven. Die fotochemische omlegging is volgens Slootweg een schoolvoorbeeld van een ideale, duurzame synthese. ‘Ze is atoomeconomisch: 100 % van de uitgangsmaterialen komt in het product terecht, zonder dat je afval overhoudt’, legt hij uit.

Witte fosfor (P4) is ook zo’n tetraëder. Maar je kunt niet simpelweg C’s in tetrahedraan door P’s vervangen. Meer voor de hand ligt dat je de structuur opbouwt uit negatief geladen fosfor en een kleine, positief geladen koolstofring, bijvoorbeeld een 1,2,3-tris-tert-butylcyclopropeniumion. Dankzij wijlen Ronald Breslow is dat laatste ion al een tijdlang beschikbaar. ‘Maar gold als instabiel’, vertelt Slootweg. ‘Totdat ETH-onderzoeker Hansjörg Grütz­macher zorgde voor een doorbraak met zijn stabiele NaOCP. Inmiddels maken ze dat met 50 of 100 g tegelijk, en vind je het elke maand wel in een Angewandte-publicatie terug.’

Zijn eigen bijdrage laat nu zien dat de combinatie van een cyclopropeniumion en NaOCP doorreageert tot een dimeer: 1,3-difosfetaan-2,4-dion. Dat valt weer uiteen tot fosfatricyclo[2.1.0.0]pentanon, dat al sterk op monofosfatetrahedraan lijkt. Isomeriseren tot iets fosfacyclobutadieenachtigs lukt ook al.

‘We moeten die CO nog selectief zien te verwijderen’

Alleen zit in beide gevallen de CO uit NaOCP er nog in. ‘Als we die selectief kunnen verwijderen, zitten we op het doelmolecuul en de volgende Angewandte-publicatie’, zegt Slootweg. Hij vermoedt dat het stiekem al is gelukt: tijdens een experiment zag hij de oplossing tijdelijk verkleuren, wat de vorming suggereert van anti-aromatische moleculen die meteen weer verder reageren. ‘We gaan nu de structuur afschermen met nog grotere R-groepen. Op fosfacyclobutadieen passen er tenslotte nog maar drie, in plaats van vier. Ik denk aan dimethyl-tert-butylsilyl, waarmee George Olah ooit succes heeft gehad.’

Begrijpen

De publicatie doet vermoeden dat er veel trial-and-error aan te pas komt, maar volgens Slootweg is dat schijn. ‘Nieuwe kennis ontwikkelen is onze drijfveer. Door heel gericht te observeren wat er gebeurt tijdens experimenten, en onze waarnemingen te toetsen aan theoretische modellen, proberen we te begrijpen wat een molecuul doet. En dan passen we het aan totdat we de chemie hebben gecreëerd die we zoeken.’

Hij vermoedt dat de uiteindelijke realisatie van zijn doelmolecuul een kwestie wordt van synthetische elektrochemie, volgens hem een ondergewaardeerd gereedschap dat nu volop in ontwikkeling is. ‘Het wachten is op een nieuwe promovendus.’

(c2w.nl)

18-03-2018

Hawking werkte op zijn sterfbed zijn belangrijkste onderzoek af. En een Belg hielp hem daarbij


 © K.U.Leuven - Stephen Hawking, Thomas Hertog, James Hartle en voormalig KU Leuven-rector Mark Waer

Wetenschap & Planeet Twee weken voor zijn dood werkte Stephen Hawking nog een onderzoeksverslag af samen met de Belg Thomas Hertog. De laatste noot aan dat werk werd dan ook op Hawkings sterfbed gelegd. Volgens Hertogs zijn de inzichten in het wetenschappelijk werk van die aard dat ze Hawking wel eens een Nobelprijs hadden kunnen opleveren, moest hij nu nog geleefd hebben. Hawking werd tijdens zijn leven meermaals genomineerd voor een Nobelprijs, maar won er nooit een.

De paper met de titel ′A Smooth Exit from Eternal Inflation’ zou wel eens Stephen Hawkings meest belangrijke werk kunnen zijn. In het werk legt Hawking een methode uit waarmee het bestaan van andere universa aangetoond kan worden. Volgens de wetenschap is het namelijk mogelijk dat er sprake is van een soort ‘multiversum’. In dat ‘multiversum’ zijn er meerdere universa of heelallen. Het heelal zoals wij het kennen, is dan slechts een deeltje van een groter geheel. Tot voor kort was het idee van een ‘multiversum’ dus voornamelijk een theorie, maar met de paper van Hawking zou die theorie nu ook voor het eerst aangetoond kunnen worden. Volgens wetenschappers is het baanbrekend en zou het onze perceptie van het heelal wel eens helemaal kunnen veranderen.

Kosmische inflatie

Al in 1983 schreef Hawking een verhandeling waarin hij het idee van een multiversum aanhaalde. Daarin zette hij samen met James Hartle uiteen hoe de ‘big bang’ zorgde voor het ontstaan van ons heelal. Daarbij gingen ze ervan uit dat de oerknal aanleiding gaf tot een oneindig aantal andere knallen die telkens weer zorgden voor het ontstaan van nieuwe heelallen. Dat idee wordt ‘kosmische inflatie’ genoemd. Kort samengevat bieden Hertog en Hawking met hun werk dus een soort van wetenschappelijk kader om het idee van een multiversum als gevolg van kosmische inflatie te testen en wetenschappelijk aan te tonen. Aan de hand van een detector die vastgemaakt wordt aan een ruimteschip zouden andere universa aan de hand van het wetenschappelijk kader gedetecteerd kunnen worden.

Verder halen Hawking en Hertog ook nog iets minder vrolijk nieuws aan in hun werk. Als de theorie van kosmische inflatie klopt dan wil dat namelijk ook zeggen dat het universum waarin wij ons bevinden op een dag zal oplossen in een soort van zwart gat. Alle knallen die nieuwe universa doen ontstaan verliezen namelijk ook op een bepaald moment hun energie waardoor de universa ophouden met bestaan.

(HLN)

19-03-2018

Steeds lonkt er weer een nieuw deeltje om te ontdekken

In ‘De melodie van de natuur’ bespreekt natuurkundige Ivo van Vulpen de wereld van de elementaire deeltjes

De ontdekking van het Higgs-deeltje enkele jaren geleden was wereldnieuws. Maar waarom eigenlijk? In zijn boek ‘De melodie van de natuur’ neemt Ivo van Vulpen je aan de hand in de zoektocht naar dit illustere deeltje. Hij blijkt een goede reisleider, maar een beetje voorkennis kan geen kwaad.

Op 4 juli 2012 werd het jarenlange werk van duizenden natuurkundigen van over de hele wereld op passende wijze beloond. Die dag werd namelijk het bestaan van het zo hartstochtelijk gezochte Higgs-deeltje officieel bekend gemaakt. TV-beelden toonden een zaal vol klappende, lachende en ontroerde wetenschappers. Ook voor wie geen idee had waar het over ging, was de boodschap duidelijk: hier is iets bijzonders gebeurd.

Maar dat was het enige wat er bleef hangen bij velen. Dat het bijzonder was, maar wat er nou precies was ontdekt en waarom dat zo bijzonder was, dat ging in de euforie een beetje verloren. Ook niet heel gek, als je bedenkt dat het nogal een uitdaging is om de essentie van tientallen jaren fundamenteel natuurkundeonderzoek op een begrijpelijke manier weer te geven in een tv-fragment van anderhalve minuut.

Stap voor stap

Ivo van Vulpen gaat die uitdaging wel aan. Gelukkig geeft hij zijn publiek meer aandacht dan anderhalve minuut uitleg. De ontdekking van het Higgs-deeltje vormt de aanleiding en rode draad van zijn boek ‘De melodie van de natuur’, maar hij neemt ruimschoots de tijd om alles wat aan die ontdekking vooraf ging te bespreken. Dat is zeer te prijzen, want experimenten en theorieën komen nou eenmaal niet uit de lucht vallen. Ze bouwen voort op bestaande kennis, ideeën, vragen en raadsels en Van Vulpen laat heel mooi zien hoe de wetenschap stap voor stap te werk gaat.


ATLAS detector, Large Hadron Collider, CERN.

De zoektocht naar het Higgs-deeltje gebruikt van Van Vulpen om de geschiedenis van de natuurkunde te beschrijven en dan vooral van de deeltjesfysica – de tak die zich bezighoudt met de meest basale bouwstenen van heelal, de elementaire deeltjes. Een vakgebied dat Van Vulpen van binnenuit kent. Hij is namelijk zelf gepromoveerd deeltjesfysicus en hij werkt bij Nikhef, het nationaal instituut voor subatomaire fysica in Amsterdam. Bovendien werkte hij mee aan het ATLAS-experiment, een van de detectoren van de Large Hadron Collider – de deeltjesversneller waarmee het bestaan van het Higgs-deeltje is aangetoond.

Doordat Van Vulpen zelf onderdeel is geweest van die enorme onderneming – en dat nog steeds is, want er valt nog meer dan genoeg te onderzoeken in deeltjesfysica – kan hij goed de ‘achterkant’ van de wetenschap laten zien: de spanning en opwinding als een experiment van start gaat, maar ook het monotone handwerk van turen naar schermen. Dat er ook ongetwijfeld een hoop frustratie, teleurstelling en onderlinge wrijving bij komt kijken, blijft een beetje onderbelicht. Misschien is het voor Van Vulpen allemaal zonnig verlopen, maar hij schetst af en toe wel een heel idyllisch beeld van de natuurkundige gemeenschap.

Maar dat doet niets af aan de prestatie van Van Vulpen om dit abstracte, ingewikkelde onderzoek toegankelijk te maken. Hij legt helder en geduldig uit (het is wel een echt ‘uitlegboek’) hoe dat nou zit met al die quarks en leptonen, met spookdeeltjes en antideeltjes en krachtdeeltjes en ga zo maar door. Van Vulpen pakt het allemaal rustig aan, maar hij kan niet voorkomen dat het je – als niet-deeltjesfysicus – toch af en toe gaat duizelen.

Aan de andere kant, we hebben het hier wel over een vakgebied waar niet de minste geesten jarenlang hun hoofd over hebben gebroken, dus dat je als lezer ook een beetje moeite moet doen kan geen verrassing zijn. En het is ook zeker geen reden om het niet te proberen, want dankzij Van Vulpens enthousiasme en overduidelijke liefde voor zijn vakgebied blijft het allemaal zeer leesbaar. En het maakt nieuwsgierig naar wat we nog meer gaan leren over donkere materie, supersymmetrie en het raadsel van de zwaartekracht.

(nemokennislink)

21-03-2018

Hoorde jij die springende hoogspanningsmast op aarde ploffen?

Dan ben je niet alleen! Verrassend veel mensen horen namelijk iets wat er niet is.

Dat blijkt uit een nieuw onderzoek naar deze bijzondere vorm van synesthesie (zie kader hieronder) die onderzoekers visually-Evoked Auditory Response (vEAR) hebben gedoopt. Het onderzoek suggereert dat tot wel één op vijf mensen deze vorm van synesthesie ervaren en dus bij het zien van beweging een geluid horen dat er niet is. Het suggereert dat deze vorm van synesthesie veel vaker voorkomt dan andere vormen.

Synesthesie
Synesthesie is eigenlijk niets anders dan een vermenging van zintuigen. Het is er in verschillende vormen. Zo zijn er mensen die bij het lezen van letters of cijfers ook kleuren ervaren. Of mensen die bij kleuren ook een bepaalde geur of smaak denken waar te nemen.

Springende hoogspanningsmast
Een geluid horen dat er niet is; het klinkt misschien wat zweverig, maar het overkwam velen toen ze onderstaande gif bewonderden. De gif gaat niet vergezeld door geluid en toch hoorden veel mensen de springende hoogspanningsmast op aarde ploffen, zo blijkt uit talloze reacties op het gifje

Het nieuwe onderzoek onderschrijft dat deze en vergelijkbare gifjes iets vreemds bewerkstelligen in ons brein. De onderzoekers verzamelden 4128 proefpersonen en lieten ze 24 videoclipjes zien waarin voorwerpen of mensen traag, snel of heel plotseling bewogen. Denk aan een balletdanseres die een pirouette maakt of een hamer die op een spijker klapt. Geen van de videoclipjes ging vergezeld door geluid. En toch bleken heel veel proefpersonen wel geluiden te horen. Maar liefst 21% van de proefpersonen gaf bovendien aan dat ze dat wel vaker was overkomen.

Horen wat je ziet
“Sommige mensen horen wat ze zien,” vertelt onderzoeker Elliot Freeman. “Knipperlichten van een auto, knipperende neonlichten van een winkel en bewegingen van wandelende mensen kunnen een auditieve prikkel triggeren. En wij hebben daar voor het eerst grootschalig onderzoek naar gedaan en ontdekt dat tot wel 21% van de mensen dit op de één of andere manier ervaren, wat betekent dat het veel vaker voorkomt dan andere vormen van synesthesie.”

De onderzoekers denken ook meer te kunnen zeggen over waarom sommige mensen horen wat ze zien. “We denken dat deze prikkels soms het resultaat zijn van informatie die weglekt uit visuele delenv an het brein en belandt in delen die doorgaans betrokken zijn bij het horen van informatie. En in extreme gevallen is een abstracte beweging of het knipperen van iets voldoende om ook een geluid te horen.”

(scientias.nl)

23-03-2018

Waarom nemen we sommige beelden wel bewust waar en andere niet?

Onderzoekers onthullen hoe visuele prikkels in ons bewustzijn doordringen (of niet).

Niet alles wat we zien, dringt door tot ons bewustzijn. Maar wat zorgt er nu voor dat we ons van de ene visuele prikkel wél bewust zijn en van de andere niet? Dat heeft een internationaal team van onderzoekers onder leiding van de Nederlandse Pieter Roelfsema, uitgezocht.

Activiteitsniveau
De onderzoekers keken wat er in het brein van apen gebeurde, wanneer zij aan visuele prikkels – in dit geval: korte lichtflitsen – werden blootgesteld. De prikkels werden eerst geregistreerd in de visuele hersenschors en daarna doorgestuurd naar de frontale hersenschors. Daar moesten de prikkels een minimaal activiteitsniveau opwekken om in het bewustzijn door te kunnen dringen.

Gebrekkige informatieoverdracht
Maar sommige prikkels slagen daar dus niet in. Het is het resultaat van een gebrekkige informatieoverdracht tussen zenuwcellen in de visuele hersenschors, zo stellen de onderzoekers. Deze zorgt ervoor dat het benodigde minimale activiteitsniveau in de frontale hersenschors niet wordt gehaald en de apen zich dus niet bewust worden van die informatie.

Zwakke elektrische stroompjes
Experimenten wijzen uit dat dat minimale activiteitsniveau ook niet werd gehaald wanneer men de zenuwcellen in de visuele hersenschors met zwakke elektrische stroompjes activeerde. “De prikkels dringen alleen door tot in het bewustzijn, wanneer de geactiveerde zenuwcellen hun activiteit in voldoende mate doorgeven aan hogere hersenschorsgebieden,” legt Roelfsema uit.

Het onderzoek kan van groot belang blijken voor blinde patiënten. “Deze nieuwe informatie, over hoe en wanneer een stimulus tot het bewustzijn doordringt, brengt ons weer een stap dichter bij de ontwikkeling van een hersenschorsprothese voor blinde patiënten, door middel van elektrische stimulatie van de hersenschors.”

(scientias.nl)

27-03-2018

Wetenschappers ontdekken “nieuw orgaan” in ons lichaam


 © Mount Sinai Beth Israel Medical Center - Creative Commons

Medisch Wetenschappers hebben een ophefmakende ontdekking gedaan in het menselijk lichaam: een soort snelweg voor vloeistof die onder de huid en langs veel organen loopt. In een artikel in Scientific Reports noemen ze dat netwerk van vochthoudende compartimentjes samen voor het eerst een “nieuw orgaan”. Ze hopen dat de ontdekking helpt begrijpen hoe kanker zich door ons lichaam verspreidt.

De lagen van het ‘interstitium’, zoals het netwerk wordt genoemd, werden lang beschouwd als dicht bindweefsel, maar nu blijken het minuscule reeksen vochthoudende kanaaltjes. Die zitten onder de huid, maar ook langs darmen, longen, bloedvaten en spieren. Samen vormen ze een netwerk dat ondersteund wordt door een raamwerk van sterke, flexibele eiwitten. De onderzoekers vermoeden dat de compartimentjes kunnen dienstdoen als schokbrekers die lichaamsweefsel beschermen tegen schade, en dat ze samen ongeveer een vijfde van het lichaamsvocht bevatten.

Levend weefsel

Hoe is het in godsnaam mogelijk dat dit nu pas wordt ontdekt? Dokters David Carr-Locke en Petros Benias van het Mount Sinai Beth Israel Medical Center in New York stootten erop tijdens een kijkonderzoek van het galkanaal van een patiënt, waar ze aanwijzingen zochten van kanker. De camera gaf lichaamsweefsel vergroot weer, waardoor de artsen op patronen stootten die ze nog niet eerder hadden gezien. Zij namen vervolgens contact op met patholoog Neil Theise van de New York University.


 © thinkstock - De galblaas zit naast de lever.

Maar het ging dus om een levende patiënt, terwijl traditioneel onderzoek dood lichaamsweefsel bestudeert waaruit vloeistoffen verwijderd zijn. De kanaaltjes werden dus doorgaans aanzien als een simpele laag bindweefsel, maar Theise ontwikkelde een techniek om het verwijderde weefsel in leven te houden. Dat is meteen ook zijn grote verdienste, zegt professor Patrick Pauwels, hoofd van de dienst Pathologische Anatomie van het UZ Antwerpen. Aan de VRT-nieuwsredactie legt hij uit dat de vloeistofstromen wel degelijk al langer gekend waren, maar dat het nu de eerste keer is dat ze in levend weefsel in detail bestudeerd werden mét het circulerende vocht erin.

Kanker

Theises team analyseerde nog stukjes galkanaal van twaalf andere patiënten en stelden vast dat de laag uitmondt in het lymfevatenstelsel, het netwerk van organen, vaten en weefsel waarin lymfe en lymfocyten zitten en getransporteerd worden. Dat is betrokken bij het afweersysteem van ons lichaam.

De onderzoekers vonden aanwijzingen dat kankercellen van tumoren via het interstitium in het lymfesysteem kunnen belanden. Het netwerk zou zo een rol kunnen spelen bij de verspreiding van kanker doorheen het lichaam, waardoor wetenschappers mogelijk nieuwe testen voor kanker zouden kunnen ontwikkelen

(HLN)

27-03-2018

Algoritme kan precies 'voorspellen' wie de ramp met de Titanic overleefde

En onthult tevens waarom kunstmatige intelligentie onze wereld nooit helemaal zal doorgronden.

Het algoritme – dat opduikt in een nieuw boek, geschreven door Meredith Broussard, professor aan de New York University – houdt rekening met verschillende variabelen. Bijvoorbeeld de leeftijd en het geslacht van de passagiers, maar ook of ze eerste, tweede of derde klas reisden.

Klasse
En met die informatie op zak bleek het algoritme in 97% van de gevallen correct te ‘voorspellen’ of een passagier de reis overleefde of niet. De calculaties wijzen bovendien uit welke factor het meest bepalend was: de reisklassen. Zo hadden passagiers die eerste klas reisden betere overlevingskansen dan passagiers die tweede klas reisden.

Tekortkoming
Het algoritme was dus zeer accuraat. Maar kon het verder verbeterd worden, zodat het voor alle passagiers kon vertellen hoe de ramp was afgelopen? Dat lukte niet. En dat laat ons ook direct de grote tekortkoming van kunstmatige intelligentie zien, zo betoogt Broussard. “Onze statistische voorspelling van wie overleefde en wie stierf op de Titanic zal nooit 100% kloppen – geen enkele statistische voorspelling zal ooit 100% accuraat zijn – omdat mensen geen statistieken zijn en dat ook nooit zullen worden.” Zo waren er bijvoorbeeld twee passagiers aan boord van de Titanic wiens lot niet bepaald werd door leeftijd, geslacht of het feit dat ze eerste, tweede of derde klas reisden. Hun overlevingskansen werden bepaald door hoever ze konden springen toen ze van het zinkende schip wegvluchtten.

Waarschuwing
De constatering van Broussard moet gezien worden als een waarschuwing die zeker moet klinken in onze tijd, waarin beslissingen vrijwel louter gemaakt worden op basis van technologie en data. “We zouden ondertussen moeten weten dat er dingen zijn die machines nooit kunnen leren en dat een menselijk oordeel (…) en interpretatie altijd nodig is.” Broussard verzet zich in haar boek welbeschoud tegen de groei van technochauvinisme: het idee dat technologie altijd de oplossing is.

“We zouden ondertussen moeten weten dat er dingen zijn die machines nooit kunnen leren”

Ze wijst erop dat de digitalisering hardnekkige sociale problemen niet oplost, maar misschien zelfs vergroot. “Ons Titanic-model kan gebruikt worden om goed te praten dat je eerste klas-reizigers minder geld vraagt voor de reisverzekering, maar dat is absurd: we zouden mensen niet moeten straffen voor het feit dat ze niet rijk genoeg zijn om eerste klas te reizen (…) Als we prijsalgoritmes baseren op hoe de wereld eruit ziet, zullen vrouwen en arme mensen en minderheden onvermijdelijk meer moeten betalen. Wiskundigen worden daar altijd door verrast: vrouwen en armen en minderheden niet. Ras, geslacht en klasse beïnvloeden de prijs op verschillende duidelijke en slinkse manieren. Vrouwen betalen meer dan mannen voor het knippen van de haren, de stomerij, scheermesjes en zelfs deodorant (…) Afro-Amerikanen die in een restaurant bedienen krijgen minder fooi dan hun blanke collega’s.”

Eigenlijk stelt Broussard dat technologie er is voor de mensen en niet andersom. Technologie moet de wereld dus tot een betere plek maken. En niet alleen voor de rijken op aarde. Daarom moeten we goed nadenken over de tekortkomingen of grenzen van technologie en op basis daarvan beslissen wat we ermee doen.

(scientias.nl)

29-03-2018

Het kan bijna niet anders of het Majorana-deeltje is echt

De sterkste aanwijzing tot nu toe voor het bestaan van het Majorana-deeltje is gevonden door wetenschappers van de technische universiteiten van Eindhoven en Delft. Ze schrijven dat in het wetenschappelijke tijdschrift Nature. Het Majorana-deeltjes trekt al jaren aandacht van wetenschappers, omdat het wellicht het ideale hart is voor een razendsnelle quantumcomputer.

In 2012 ging de vlag al voorzichtig uit: Nederlandse wetenschappers zeiden in een halfgeleidende draad sporen van Majorana-deeltjes te meten. Een spectaculaire vondst: natuurkundigen jagen dan al tientallen jaren op het deeltje dat bijzonder is omdat het niet te onderscheiden is van zijn eigen zogenoemde antideeltje. Terwijl antideeltjes van andere elementaire deeltjes zoals protonen, neutronen en elektronen ‘gespiegelde’ eigenschappen hebben, zoals een tegenovergestelde lading, is het Majorana-antideeltje niet te onderscheiden van een Majorana-deeltje.

Ondanks het tromgeroffel ging het in 2012 slechts om sporen van het deeltje, die werden afgeleid uit het elektrische en magnetische gedrag van een microscopische draad waarin Majorana’s zouden zitten. Er was toen nog steeds ruimte voor andere verklaringen dan het Majorana-deeltje. Onzuiverheden in het materiaal of elektronen die gevangen raakten in de draad konden de signalen in principe ook verklaren.

Deze alternatieve verklaringen worden nu van tafel geveegd met nieuwe metingen aan een verbeterde opstelling. Het kan nu bijna niet anders of de onderzoekers onder leiding van Erik Bakkers (TU Eindhoven) en Leo Kouwenhoven (TU Delft) hebben daadwerkelijk Majorana-deeltjes te pakken. Het onderzoek is deze week in het wetenschappelijke tijdschrift Nature gepubliceerd.


Ettore majorana

Een identiek antideeltje

Materie is opgebouwd uit elementaire deeltjes zoals protonen, neutronen en elektronen, die allemaal een zogenoemd antideeltje hebben: een deeltje dat als het ware ‘tegenovergestelde’ eigenschappen heeft. Zo bestaat er naast het negatief geladen elektron het positief geladen positron. Antideeltjes zijn doorgaans geen lang leven beschoren. Zodra een deeltje en een antideeltje elkaar tegenkomen vernietigen ze elkaar.

De Italiaanse natuurkundige Ettore Majorana voorspelde in 1937 het bestaan van deeltjes die niet te onderscheiden zijn van hun eigen antideeltjes. Een eigenschap die het deeltje extra robuust maakt, en mogelijk geschikt maakt voor het doen van berekeningen in een quantumcomputer.

Jagen op de piek

Om de eerder gemeten signalen van de vermeende Majorana-deeltjes te verbeteren, ontwikkelden de onderzoekers een nieuwe opstelling. De productie vond plaats in een ultrahoog vacuüm en bij een temperatuur dicht bij het absolute nulpunt (-273 graden Celsius), omstandigheden waarbij materialen nauwelijks ‘vervuild’ raken met andere stoffen en waarbij contacten tussen verschillende materialen vrijwel naadloos worden.

Het kan bijna niet anders of het Majorana-deeltje is echt

De opstelling heeft qua vorm wel wat weg van een microscopische hashtag (#). De draden zijn van het halfgeleidende indium-antimoon. De draad krijgt vervolgens een dun ‘jasje’ van aluminium dat bij deze lage temperatuur supergeleidend is. Op de grens van het halfgeleidende en supergeleidende materiaal ontstaan volgens de theorie Majorana-deeltjes.

Het bewijs voor de aanwezigheid van Majorana-deeltjes vormt het meten van een zogenoemde zero-bias-piek. “Die piek is eigenlijk een maat voor de geleiding in de draad”, zegt Bakkers. “Zit er een Majorana-deeltje in de draad dan heeft deze piek een bepaalde hoogte en is hij bovendien niet te beïnvloeden door magnetische of elektrische velden waaraan we de draad blootstellen.”

Metingen aan de nieuwe opstelling laten nu precies de voorspelde piek zien. Een piek die de onderzoekers dolblij maakt. “Het klopt allemaal. In tegenstelling tot de eerdere experimenten halen we nu precies de hoogte van de voorspelde piek”, zegt Bakkers. “Als ik die meting uit 2012 nu terugzie dan schrik ik een beetje. Het klopte allemaal wel hoor, maar die metingen hadden erg veel ruis. Het zag er niet mooi uit.”

Het hart van een quantumcomputer


Vergroting van het experiment waarmee wetenschappers van de TU Eindhoven en TU Delft Majorana-deeltjes creëren, een microscopische ‘hashtag’. Het experiment maakt het mogelijk om twee Majorana-deeltjes van plaats te doen verwisselen, via een magneetveld dat op de ‘hashtag’ wordt gezet. Aan dat experiment werken de onderzoekers nu.

Goed, betere metingen. Mooi, maar waarom haal je hier het hoogst aangeschreven wetenschappelijke tijdschrift mee? Volgens Bakkers speelt de belofte van Majorana-deeltjes in de wereld van de quantumcomputers mee. Deze computers, momenteel volop in ontwikkeling, gebruiken de vreemde wetten van de quantummechanica om specifieke wiskundige problemen razendsnel op te lossen. “We denken dat Majorana’s heel stabiele rekeneenheden voor zo’n computer kunnen zijn, zogenoemde qubits”, zegt Bakkers. “Informatie die koppelt aan de quantumtoestand van een Majorana-deeltje is beter beschermd dan bij andere qubits, die doorgaans grilliger zijn en hun informatie snel verliezen.”

De prachtige piek ten spijt, volledig waterdicht bewijs voor het Majorana-deeltje is het nog steeds niet. Daarvoor moeten de onderzoekers twee Majorana-deeltjes in een draad creëren en met elkaar verwisselen. Daar werken ze nu aan. Bakkers is vol vertrouwen, maar blijft voorzichtig. “We hebben al vaker meegemaakt dat theoretische natuurkundigen toch weer met een nieuwe alternatieve verklaring komen”, zegt hij. “Toch geloof dat er nu weinig andere opties dan een Majorana-deeltje meer over zijn.”

Bron
•Zhang H. et al., Quantized Majorana conductance, Nature (28 maart 2018), DOI:10.1038/nature26142

(nemokennislink)

28-03-2018

Hoe Cas4 in de CRISPR-puzzel past




Zonder het Cas4-eiwit selecteren bacteriën de verkeerde fragmenten uit bacteriofagen-DNA en werkt hun CRISPR-Cas-afweersysteem niet meer. In Cell Reports onthulden Stan Brouns en collega’s van de TU Delft zojuist de rol van dit tot nu toe onbegrepen eiwit dat in ongeveer de helft van alle bekende CRISPR-Casvarianten voorkomt.

Dat CRISPR-Cas is van origine een wapen tegen die fagen, virussen die hun eigen DNA de bacterie in pompen in de hoop dat die het afleest en nieuwe fagen produceert. Door dit inkomende DNA te herkennen en meteen kapot te knippen, kan de bacterie zich deze moeite besparen.

Het ziet er nu naar uit dat Cas4 daarbij zoekt naar zogeheten protospacer adjacent motifs (PAM’s), vaste sequenties van twee tot zes basenparen. Vervolgens werkt het samen met Cas1 en Cas2, waarvan al langer bekend is dat ze stukken uit het fagen-DNA knippen die vlak naast zo’n PAM zitten. Die stukken monteren ze vervolgens in CRISPR, een kunstmatige sequentie die het geheugen van het systeem vormt. De PAM plakken ze er echter niet bij.

Wanneer de volgende faag het probeert, komt Cas9 of een aanverwant ‘knipeiwit’ in actie. Het speurt naar sequenties die eerder in CRISPR zijn opgeslagen en waar bovendien een PAM-sequentie naast zit. Alleen daar zet het een knip. Het voorkomt dat andere exemplaren van de CRISPR-bibliotheek per abuis worden aangezien voor fagen-DNA en dan zélf worden verknipt.

Brouns en collega’s demonstreerden het door de genen voor Cas1, 2 en/of 4 over te zetten van Synechocystis sp.6803 naar E. coli. Met zijn drieën bouwen ze een werkend CRISPR-Cassysteem op. Laat je Cas1 of Cas2 weg, dan wordt geen CRISPR-geheugen gevormd. Laat je alleen Cas4 weg, dan ontstaat het wel maar werkt het niet: Cas1 en Cas2 gaan dan willekeurige stukken uit het fagen-DNA halen, zonder PAM-spacer er naast.

Hoe dit op moleculaire schaal precies functioneert, is onderwerp van verder onderzoek.

bron: TU Delft

(c2w.nl)

30-03-2018

Eerste ‘superieure’ quantumcomputer is nog geen rekenwonder

Experimentele opstelling haalt dit jaar waarschijnlijk quantum supremacy

Universiteiten, IBM en Google werken hard aan de ontwikkeling van de quantumcomputer. Bij Google staan ze naar verluidt op het punt om quantum supremacy te bereiken, het punt waarop gewone computers de quantumcircuits niet meer bijbenen. Wat ligt er bij Google op de testbank? En wat kúnnen we ermee?

We zijn er bijna, volgens sommige berichten. De klassieke computer loopt op zijn laatste benen en legt het binnenkort definitief af tegen de glimmende machines uit de quantumlaboratoria in de wereld. Universiteiten en bedrijven pompen miljoenen in het onderzoek en bouwen ingenieuze systemen met tientallen zogenoemde qubits, de rekeneenheden die de computer zijn kracht geven. Rolt de eerste quantumcomputer binnenkort van de band?



John Martinis van de Universiteit van Californië in Santa Barbara.

De beloften zijn groot. Met een quantumcomputer kunnen we straks razendsnel wetenschappelijke modellen testen, gigantische databases doorzoeken of de moeilijkste cryptografische sleutels kraken. “Ondanks dit soort berichten gaat dat niet binnen afzienbare tijd lukken”, lacht John Martinis, professor van de Universiteit van Californië in Santa Barbara, waar onderzoekers hun krachten bundelen met Google. “Het bouwen van een quantumcomputer is moeilijk, veel moeilijker dan veel mensen denken.”

Toch gaan Martinis en collega’s het proberen. In hun lab staat een systeem dat nog dit jaar quantum supremacy moet halen. Klinkt indrukwekkend, maar wat houdt het precies in? Hoe snel en hoe bruikbaar is deze eerste ‘superieure’ quantumcomputer?

De kracht van quantum

Een quantumcomputer maakt gebruik van de vreemde wetten van de quantummechanica, die het gedrag van de allerkleinste deeltjes (zoals elektronen) beschrijven. De wetten stellen bijvoorbeeld dat zo’n deeltje tegelijkertijd linksom en rechtsom kan draaien. Vreemd, maar nog vreemder wordt het wanneer je informatie koppelt aan de draairichting van zo’n zogenoemde qubit. Linksom betekent dan bijvoorbeeld ‘0’, rechtsom ‘1’. Doordat de qubit zowel linksom als rechtsom draait bezit hij beide waarden. Knap nutteloos dus?

Opmerkelijk genoeg kunnen deze deeltjes juist helpen om veel berekeningen tegelijk te doen. Daar zijn overigens ingewikkelde apparaten voor nodig, waarin je de deeltjes omvormt tot controleerbare qubits (een knipoog naar de bit, de informatie-eenheid van de klassieke computer). Ook is aparte software nodig. Werkt dat allemaal naar behoren, dan kun je met een quantumcomputer razendsnel specifieke wiskundeproblemen oplossen, of zoeken in grote (ongesorteerde) databases.

De afgelopen jaren ontwikkelden onderzoekers verschillende qubitsystemen. Ze gebruikten bijvoorbeeld in een diamantrooster gevangen elektronen, of in een magnetisch veld opgesloten ionen. Veel van het huidige onderzoek draait om supergeleidende elektronische circuits waarop qubits ontstaan. Deze systemen zouden makkelijk uit te breiden zijn. Ook Martinis’ onderzoeksgroep gebruikt deze qubits.


Op de drempel

Ergens tussen de vijftig en honderd ligt het magische aantal: zo veel qubits zijn nodig om een quantumcomputer te bouwen die naar verluidt sneller is dan een klassieke computer. De experimentele quantumcircuits groeien snel richting dit aantal. In het laboratorium van Martinis en collega’s stond in 2010 een systeem met drie qubits. Dat groeide in 2015 naar negen qubits en afgelopen jaar waren ze bezig met een systeem met 49 qubits. Momenteel is het vlaggenschip de begin deze maand aangekondigde Bristlecone die 72 qubits telt. De onderzoekers denken dat hiermee het eerder genoemde quantum supremacy binnen handbereik is.


Een elektronisch circuit waarop enkele zogenoemde qubits zitten, de rekeneenheden voor de toekomstige quantumcomputer. De onderdelen zijn doorgaans nog net met het blote oog te zien. Knap ingenieurswerk, maar eigenlijk kinderlijk eenvoudig als je het vergelijkt met moderne computerprocessoren.

 UCSB/Michael Fang

Quantum supremacy



Een onderzoekster aan het werk aan een ‘quantumchip’ in het laboratorium van de Universiteit van Californië in Santa Barbara en Google.

Als onderzoekers quantum supremacy bereiken, is het wachten op de berichten met de claim dat de quantumcomputer de klassieke computer definitief heeft verslagen. Is dat terecht? Gaat er werkelijk een wondere wiskundige wereld open waar we razendsnel berekeningen doen waar huidige computers op vastlopen? Martinis denkt dat er weliswaar wat relatief eenvoudige chemische berekeningen te doen zijn met zo’n systeem, maar veel meer hoeven we er op computationeel gebied nog niet van te verwachten.

Maar ho, wacht, hoe het dan zit met die felbegeerde quantum supremacy? Waarom kan een ‘superieure’ quantumchip zich eigenlijk nog geenszins meten met de gigantische supercomputers die in enkele seconden biljarden bewerkingen doen? Waarin zit dan die superioriteit?

Quantum supremacy draait volledig om de ‘controleerbaarheid’ van een quantumcomputer: de mogelijkheid om hem helemaal te checken met een klassieke computer. Om te zien of hun quantumsystemen naar behoren werken – of bijvoorbeeld de qubits goed met elkaar communiceren – vallen onderzoekers nog steeds terug op gewone computersimulaties. “Wij laten een supercomputer al gauw een dag draaien om precies te voorspellen wat er binnen een quantumcircuit gebeurt”, zegt Martinis. “Alleen lopen we met de gestage uitbreidingen van onze systemen tegen de grenzen van die controleerbaarheid aan. Bij quantum supremacy kunnen we een systeem niet meer helemaal doorrekenen.”



Quantumchip met negen qubits die de onderzoeksgroep van Martinis in 2015 ontwikkelde. Dat we de quantumsystemen straks niet meer volledig kunnen doorrekenen met ’s werelds sterkste computers staat vast. Is dat erg? Nee, waarschijnlijk niet. Naast het volledig doorrekenen van relatief kleine quantumsystemen, is het ook mogelijk om specifieke onderdelen van veel grotere quantumsystemen te controleren om te weten dat ze correct werken.

 Julian Kelly/University of California, Santa Barbara/Google

Duizend qubits in een qubit

Het blindstaren op aantallen qubits kan verhullen hoe onderzoekers worstelen met de steeds complexere quantumchips. De basisprincipes van de quantumcomputer werken, zoveel is duidelijk (zie kader Quantumrekenen op twee qubits). Maar het sturen, vasthouden en combineren van delicate quantuminformatie in een netwerk met een groot aantal qubits is een uitdaging. En die uitdaging wordt groter naarmate netwerken van qubits groeien.

Hoeveel qubits de eerste quantumcomputer die daadwerkelijk sneller berekeningen kan doen dan een klassieke computer straks heeft, is een lastig vraag. Martinis denkt in ieder geval dat je voor één echt betrouwbare qubit waarschijnlijk al duizend qubits nodig hebt. Dit veelvoud is nodig om het fragiele karakter van quantuminformatie te ondervangen: doorgaans wil die informatie nogal eens verloren gaan door ruis in het systemen. Door veel qubits te laten samenwerken is het mogelijk om de quantuminformatie te corrigeren en correct te houden.

Een quantumcomputer met een respectabele rekenkracht heeft weer een veelvoud van die zogenoemde ‘logische’, foutloze qubits nodig: duizenden, zo niet tienduizenden, afhankelijk van het probleem dat je wilt oplossen. Dat is echt andere koek dan de quantumcircuits die nu op tafel liggen. Terwijl quantum supremacy binnen handbereik is, moeten onderzoekers voor een bruikbare quantumcomputer nog veel verder reiken.

Quantumrekenen op twee qubits

Afgelopen maand lieten wetenschappers van het Delftse QuTech zien dat ze een ‘quantumcomputer’ met twee qubits in silicium twee verschillende algoritmes lieten uitvoeren. Zo konden ze testen of een functie even of oneven was, en konden ze razendsnel zoeken in een ongesorteerde database.

Gezien het kleine aantal qubits en de kleine ‘quantumproblemen’ die ze te verwerken krijgen, maakte het misschien nog niet zoveel indruk. Toch is het belangrijk om op deze manier te laten zien dat de basisprincipes van de quantumcomputer en de daarbij behorende algoritmes echt werken. Het onderzoek werd gepubliceerd in het wetenschappelijke tijdschrift Nature.

Dit artikel is een publicatie van NEMO Kennislink.
© NEMO Kennislink, sommige rechten voorbehouden

(nemokennislink)

06-04-2018

Van Leeuwenhoeks superieure lenzen geven productiegeheim prijs

Antoni van Leeuwenhoek maakte in de 17e eeuw microscopen die vele malen beter waren dan die van zijn concurrenten. Het was niet duidelijk hoe hij lensjes maakte waarmee hij preparaten tot 270 keer vergrootte. Onderzoek met intense neutronenbundels in het Reactor Instituut in Delft laat zien dat hij deze onovertroffen kwaliteit bereikte met slijpen.

Het apparaatje van messing dat je tussen twee vingers klemt, lijkt in de verste verte niet op een moderne microscoop. De Nederlandse handelsman en microbioloog Antoni van Leeuwenhoek maakte in de 17e eeuw ruim vijfhonderd van deze apparaatjes, die er door de verrassend goede optische prestaties meerdere ontdekkingen mee deed. Hij zag als eerste rode bloedcellen, bewegende zaadcellen, en structuren in verschillende biologische weefsels. Met Van Leeuwenhoeks instrumenten ging een wereld open, het maakte hem wereldberoemd.


Anthonie van leeuwenhoek %281632 1723%29. natuurkundige te delft rijksmuseum sk a 957

Tot nu toe was onduidelijk hoe Van Leeuwenhoek de minuscule lensjes, slechts een paar millimeter groot, maakte. Slijpen van stukjes glas ligt voor de hand, maar over zijn methodes is weinig bekend. Hij heeft gesproken over glasblazen, maar of dat klopt is de vraag. Het kan evenwel een poging zijn geweest om concurrerende microscoopbouwers op het verkeerde been te zetten.

Onderzoekers van Rijksmuseum Boerhaave (met vier Van Leeuwenhoekmicroscoopjes in hun bezit) en het Reactor Instituut Delft schijnen nu meer licht op de precieze vorm van de lensjes. Ze scanden twee microscoopjes met een intense bundel van zogenoemde neutronen uit de reactor, en keken hiermee door de metalen plaatjes die de lenzen omklemmen. Het levert een zeldzaam kijkje op de productiemethode van Van Leeuwenhoeks lenzen en microscopen.



Een scan met neutronentomografie van een van de microscopen van Antoni van Leeuwenhoek. Duidelijk zichtbaar is de metalen vorm van de microscoop, en het lensje rechts op het gele kruis.

Geheimzinnig

Van Leeuwenhoeks ontdekkingen waren een sensatie, maar hijzelf deed altijd erg geheimzinnig over zijn instrumenten. Waarschijnlijk was hij bang voor concurrentie. “De bronnen over de technieken van Van Leeuwenhoek zijn makkelijk op een hand te tellen”, zegt Tiemen Cocquyt, conservator van Rijksmuseum Boerhaave. “Ondanks de verzoeken vanuit onder andere de Royal Society in Engeland –met wie hij correspondeerde over zijn ontdekkingen – voor meer informatie hield Van Leeuwenhoek zoveel mogelijk voor zichzelf. Zelfs aan bezoekende vorsten wilde Van Leeuwenhoek zijn microscopen niet verkopen.”



Antoni van Leeuwenhoek tekende de objecten die hij met zijn microscopen bestudeerde, zoals deze bacteriën. Over de productiemethode van zijn lenzen liet hij vrijwel niks los. Wel zou hij in 1711 tegen een groep bezoekende Duitse edelen hebben gezegd dat hij zijn lenzen maakte met een glasblaastechniek.

Gelukkig hebben we de microscopen nog, die informatie bevatten over hun productiemethode. Van de ruim vijfhonderd microscopen die Van Leeuwenhoek maakte zijn er nog elf over, maar onderzoek naar de lensjes is lastig. “Ze zijn ingeklemd tussen twee metalen plaatjes en het stukje dat van buitenaf zichtbaar is, is doorgaans niet meer dan een halve millimeter groot”, zegt Cocquyt. “Openmaken is geen optie en met veel scantechnieken kijk je niet door de metalen plaatjes heen.”

Cocquyt was enthousiast toen het Reactor Instituut Delft het museum benaderde met de vraag of ze objecten wilden scannen met de sterkste neutronenbundels uit hun kernreactor. Een beproefde methode waarmee al meerdere metalen kunstvoorwerpen zijn doorgelicht. Neutronen (elementaire deeltjes die je normaal gesproken vindt in atoomkernen) uit de kernreacties van het uranium in de reactor, worden hiervoor gebundeld en met duizenden kilometers per uur op een object afgeschoten.

De neutronen zijn ladingloos en laten zich – in tegenstelling tot geladen protonen of röntgenstraling – nauwelijks tegenhouden door zeer dichte materialen zoals metalen. Ze vliegen er doorgaans dwars doorheen, tenzij een neutron een atoomkern raakt. Op dat moment verandert hij als een klein biljartballetje van richting. Met een detector achter het object zijn de afgekaatste neutronen op te vangen. Zij vertellen vervolgens iets over de materialen en de structuur van het gescande object. Door een object van verschillende kanten door te lichten, ontstaat een gedetailleerd driedimensionaal beeld met een resolutie tot wel 0,05 millimeter.

Uit de accurate scan is de vorm van de lens binnenin de microscoop op te maken. “We zien een duidelijke lensvorm, met een scherp randje”, zegt Cocquyt. “Het is niet waarschijnlijk dat je zo’n vorm via glasblazen krijgt. Dan verwacht je een bollere lensvorm, zonder randen. Ik ben zelf bij glaswerkers op bezoek geweest om te kijken wat zij maken met verschillende technieken. De uniforme bolling die dit lensje tot de rand heeft wijst overtuigend op slijpwerk.”

De universiteit in Delft kopte al dat er hiermee een 350 jaar oud mysterie is opgelost, maar nog steeds zijn er vragen. Bijvoorbeeld over hóe Van Leeuwenhoek zijn lenzen sleep. Hij was er in ieder geval extreem bedreven in. “De kwaliteit verschilt per lens, maar je kunt zeggen dat ze over de hele linie verrassend goed zijn. Hij was een vakman die met traditionele technieken lenzen wist te maken die bijna tot de optische limiet presteerden. Zelf honderd jaar later konden anderen nog niet aan deze kwaliteit tippen”, zegt Cocquyt. “Overigens kunnen we niet uitsluiten dat hij toch glasblaasde. Bij deze microscoop deed hij het niet, maar hij heeft er veel meer gemaakt.”



Microscoop Van Leeuwenhoek. Op de metalen punt kon een te bekijken voorwerp worden gespietst. In het midden van het plaatje is het kleine lensje zichtbaar.

Vreemd ontwerp

De microscoopjes van Van Leeuwenhoek zien er volledig anders uit dan moderne exemplaren. Hoe kan dat? Moderne microscopen hebben twee lenzen, een dichtbij het object en de andere bij het oog. Daarmee regel je eenvoudig de focus en wissel je makkelijk van vergroting met verschillende lenzen. Ook in de 17e eeuw waren er al microscopen met meerdere lenzen, maar bij een vergroting van zo’n dertig keer hield het wel op (moderne optische microscopen halen vergrotingen van ruwweg 500 tot 1000 maal).

Wat betreft prestaties was het makkelijker om maar één lens te gebruiken, zoals Van Leeuwenhoek deed. “Eigenlijk maakte hij een vergrootglas met een zeer korte zogenoemde brandpuntsafstand”, zegt Cocquyt. “Niet alleen het te bekijken object moest hij vlak voor de lens plaatsen, maar ook het oog moet dichtbij de lens zijn. Je moet de microscoop helemaal in je oogkas duwen. Erg prettig is dat niet. Maar Van Leeuwenhoek ontwierp zijn instrumenten volledig op functionaliteit.”

Radioactief pronkstuk

Een mooi resultaat, maar Cocquyt zegt dat hij wel even aarzelde bij de vraag van het Reactor Instituut. “Wil je een historisch pronkstuk blootstellen aan radioactiviteit, waarna het zelf misschien wel radioactief is?”, zegt hij. “Al is een object nog zo bijzonder, je krijgt het echt niet terug als het radioactief is. Uiteindelijk konden de mensen van het Reactor Instituut Delft ons garanderen dat de microscopen er even radioactief uitkomen als ze erin gaan.”



Microscoop Antoni van Leeuwenhoek met op de achtergrond de reactor van het Reactor Instituut Delft.

Afhankelijk van de samenstelling maakt de bundel snelle neutronen uit een kernreactor een materiaal ook zelf radioactief. Wanneer een neutron een atoomkern in het materiaal raakt, kan het opgenomen worden. Als die kern het neutron er na verloop van tijd weer uitknikkert heb je te maken met radioactiviteit. “De meeste neutronen verlaten het materiaal vrijwel meteen, waarna de extra radioactiviteit ook verdwenen is”, zegt Lambert van Eijck, onderzoeker van het Reactor Instituut Delft dat het onderzoek uitvoerde. “Maar het koper in het microscoopje van messing (een legering van koper en zink – red.) kan langer radioactief blijven. De enige manier om daarvan af te komen is wachten. Met een zogenoemde halfwaardetijd van twaalf uur konden we na vijf dagen, oftewel tien halfwaardetijden, geen verhoogde mate van radioactiviteit meer meten.”

Deze tijdelijk geïntroduceerde radioactiviteit is nuttig om de precieze samenstelling van het microscoopmateraal te bepalen. De onderzoekers richtten zich vooral op de lens. “Via het zogenoemde gammaspectroscopie konden we achterhalen dat er waarschijnlijk natrium in de microscoop zit dat neutronen uit de bundel opnam”, zegt Van Eijck. “We moeten het nog verifiëren, maar als dit natrium in het glas van de lens is dan zegt dat iets over de samenstelling van het gebruikte glas.”



Zicht op Delft na de kruitramp van 12 oktober 1654, een gigantische explosie die wat er nog over was van de stad bezaaide met glassplinters. Zou dit een bron zijn geweest voor het glas dat Van Leeuwenhoek gebruikte voor zijn microscopen?

Glas van de kruitramp

Over de herkomst van het glas zou Cocquyt graag meer weten. “Waarschijnlijk gebruikte hij gewoon glas dat ook voor bijvoorbeeld ramen en drinkglazen diende”, zegt Cocquyt. “Interessant is waar hij het vandaan haalde. In de tijd van Van Leeuwenhoek ontplofte er een buskruitopslag in Delft, wat een deel van de stad platlegde. Delft lag waarschijnlijk vol met gebroken glas. Sommigen vermoeden dat dit de bron was voor Van Leeuwenhoeks microscopen. Misschien dat ons onderzoek in de toekomst hiervoor aanwijzingen geeft.”

Hiervoor zijn meer scans nodig, ook van glasmateriaal ter referentie. “Ik gok zo dat ik de komende tijd vaker naar Delft moet met verschillende soorten glas”, besluit Cocquyt.



Onderzoeker Lambert van Eijck met een microscoop van Antoni van Leeuwenhoek in de reactorhal van het Reactor Instituut Delft.

 TU Delft/Rijksmuseum Boerhaave met toestemming

(nemokennislink.nl)

16-04-2018

Bacterie brouwt bicyclobutaan




Bacteriën kunnen nu iets wat chemici al jaren veel moeite kost: de synthese van kleine cyclische koolstofverbindingen. Dit schrijft de groep van Frances Arnold van het California Institute of Technology in Science.

Deze ringen, die veel energie bevatten, worden vaak gebruikt als uitgangsstof bij syntheses van grotere moleculen. De ringen, hier bicyclobutanen, zijn zó klein dat de atomen in een niet-ideale hoek met elkaar moeten binden. Dit zorgt voor ringspanning en is de bron van de opgeslagen energie. Dit maakt het voor chemici moeilijk om deze verbindingen te synthetiseren. De atomen zullen waar mogelijk in een energetisch gunstigere, maar voor de chemicus ongewenste, configuratie binden.

Nu kunnen bacteriën deze koolstofringen produceren. Arnold en collega’s hebben een plasmide met een door gerichte evolutie gemodificeerd gen voor cytochroom P450 ingebracht bij Escherichia coli, die daardoor het gemodificeerde enzym produceert. Over deze techniek vertelde Arnold al eerder in een interview. Het enzym katalyseert na modificatie de vorming van bicyclobutanen, die de onderzoekers kunnen isoleren. Met kernspinresonantie (NMR) controleerden de onderzoekers of het product de juiste configuratie had.

E. coli blijkt de moleculen efficiënt en met grote stereoselectiviteit te produceren.

Bron: Science

(c2w)

apart

19-04-2018

Geniaal: kunstmatige moedervlek die vertelt of je kanker hebt




Jaarlijks krijgen een kleine 100.000 Nederlanders te horen dat ze kanker hebben. Het aantal gevallen gaat al jaren omhoog, een gevolg van onze vergrijzende maatschappij. Of een patiënt kanker overleeft, ligt voor een groot gedeelte aan het moment dat de ziekte wordt vastgesteld. Probleem is dat mensen vaak pas naar de arts gaan als ze klachten hebben. Dan is het in veel gevallen te laat. Maar een Zwitserse vinding kan daar verandering in brengen.

Aan de universiteit ETH in Basel is een kunstmatige moedervlek ontwikkeld die je vertelt of tumoren zich aan het vormen zijn in je lichaam. Je plaatst de moedervlek onder de opperhuid op een makkelijk zichtbare plek, bijvoorbeeld de onderarm. In normale omstandigheden is er niets te zien. De ‘vlek’ bestaat uit gewone menselijke cellen, die zijn gemanipuleerd om alleen te reageren op de aanmaak door het lichaam van grote hoeveelheden calcium. Die stof maak je aan als zich een tumor aan het ontwikkelen is.

In dat geval verkleuren de cellen, ze beginnen melanine aan te maken, dezelfde stof die je haar kleur geeft. Je krijgt ineens een moedervlek op je onderarm en weet dat het tijd is om naar de dokter te gaan. Het is ver voor je klachten krijgt die duiden op een mogelijke ziekte. Dankzij deze vroege behandeling zijn de kansen om te overleven uitstekend.

De moedervlek is tot nu toe getest op muizen en werkt daar prima. Menselijke tests zijn de volgende horde. Het enige nadeel aan dit waarschuwingssysteem is dat het op dit moment maar een jaar werkt. Daarna moet een nieuwe moedervlek worden aangebracht. Daarvoor is weer een kleine ingreep nodig. De Zwitsers studeren nog op een methode om de vlek langer houdbaar te maken, vijf tot tien jaar lijkt ideaal. Daarom duurt het nog even voor deze methode verkrijgbaar zal zijn.

(faqt.nl)

24-04-2018

Een nieuwe vorm van DNA ontdekt in onze cellen

Maak kennis met het ‘i-motief’.

Wie denkt aan DNA, denkt waarschijnlijk aan de inmiddels wereldberoemde dubbele helix die James Watson en Francis Crick in 1953 onthulden. Maar al een tijdje weten onderzoekers dat korte stukjes DNA – in ieder geval in het laboratorium – ook andere vormen aan kunnen nemen. En nu hebben Australische onderzoekers voor het eerst zo’n alternatieve vorm van DNA in levende cellen waargenomen. Het gaat om een structuur die het ‘i-motief’ wordt genoemd.


De nieuwe vorm van DNA. Afbeelding: Garvan Institute of Medical Research.
Knoopje

Dit i-motief is nog het beste te beschrijven als in de knoop zittend DNA. “In deze ‘knoop-structuur’ binden de letters C van één en dezelfde streng zich aan elkaar,” legt onderzoeker Marcel Dinger uit. “Dus dat is heel anders dan in het geval van de dubbele helix waar ‘letters’ aan tegenover elkaar gelegen strengen elkaar herkennen en C’s zich aan G’s binden.”

In vitro
Het is niet voor het eerst dat onderzoekers het ‘i-motief’ onder ogen krijgen. Eerder werd het in het lab in vitro, oftewel onder kunstmatige omstandigheden en niet in cellen, bestudeerd. Maar onduidelijk bleef of deze vorm van DNA ook daadwerkelijk in cellen van levende wezens te vinden was. Daar is nu meer duidelijkheid over gekomen. Dat we deze vorm van DNA niet eerder in cellen hebben waargenomen, kunnen onderzoekers goed verklaren. Hun studie toont namelijk aan dat deze i-motiefjes komen en gaan: “Ze ontstaan, verdwijnen en ontstaan weer,” stelt onderzoeker Mahdi Zeerati.

Grote vraag is natuurlijk welke functie deze vorm van DNA heeft. Daar hebben de onderzoekers wel ideeën over. Uit hun studie blijkt dat de i-motiefjes meestal ontstaan op een specifiek moment in de levenscyclus van een cel, namelijk in een vrij late fase, wanneer het DNA in de cel actief wordt afgelezen. Daarnaast blijken de i-motiefjes ook op te duiken in zogenoemde promotors: stukjes DNA die bepalen of genen aan of uit worden gezet. Ook zijn ze aangetroffen in telomeren: de kapjes op chromosomen die een belangrijke rol spelen in het verouderingsproces. “We denken dat het komen en gaan van de i-motiefjes een aanwijzing geeft over wat ze doen,” stelt Zeraati. “Het lijkt waarschijnlijk dat ze er zijn om te helpen met het aan- en uitzetten van genen en deels bepalen of een gen actief wordt afgelezen of niet.” Vervolgonderzoek moet meer inzicht geven in de exacte functie van het DNA en in hoeverre het van invloed is op ziekte en gezondheid.

(scientias.nl)

26-04-2018

Wetenschappers komen met handsfree origami

Deze 3D-geprinte objecten vouwen zichzelf!

Menigeen heeft zich wel eens geërgerd aan een stoel of bureau dat als twintigdelig bouwpakketje door de postbode naar binnen werd geduwd en vervolgens nog hélemaal in elkaar moest worden gezet. Eerder deze week hadden we wat dit betreft al een fijne mededeling voor de niet zo handige medemens: onderzoekers in Singapore hebben een robot gebouwd die IKEA-meubels in elkaar kan zetten. En nu doen we daar nog een schepje bovenop: Amerikaanse onderzoekers hebben een eerste stap gezet richting een scenario waarin zelfs die robots overbodig zijn. Ze komen met 3D-geprinte objecten die zichzelf – onder invloed van warmte – in de juiste vorm vouwen. In de toekomst kan je stoel dus als een plat pakketje worden afgeleverd dat zich onder invloed van wat zonlicht vervolgens zelf transformeert tot..nou ja, een stoel.

3D-printer
Het klinkt bijna te mooi om waar te zijn, maar volgens onderzoekers van de Carnegie Mellon University is het allemaal mogelijk. Ze gebruikten een goedkope 3D-printer om platte objecten te printen die zichzelf vervolgens onder invloed van warmte in een van tevoren bepaalde vorm vouwen (zie ook het filmpje hieronder).

https://vimeo.com/265829811

Het is niet voor het eerst dat onderzoekers met objecten die zichzelf vouwen aan de slag zijn gegaan. Maar eerdere pogingen maakten gebruik van vrij exotische materialen of zeer geavanceerde verwerkingstechnieken. De onderzoekers van Carnegie Mellon University pakten het anders aan: zij maakten de objecten met de goedkoopste 3D-printer – een printer die laag voor laag print. En eigenlijk maakten ze daarbij gebruik van een tekortkoming die deze printer heeft. Je moet namelijk weten dat deze printers eigenlijk continu laagjes gesmolten thermoplastic op elkaar stapelen. die materialen bevatten restspanning die vrijkomt als het materiaal afkoelt. Het leidt ertoe dat het thermoplastic na afkoeling wat samentrekt, wat weer resulteert in kromgetrokken randen en oppervlakken. “Wij hebben dit nadeel in ons voordeel laten werken,” stelt onderzoeker Lining Yao.


Links het object dat uit de 3D-printer komt. Rechts het object dat ontstaat als je de geprinte platte vorm opwarmt. Afbeelding: Carnegie Mellon University.

Hoe werkt het?
Om de objecten die zichzelf in de juiste vorm kunnen vouwen, te maken, hebben Yao en collega’s eigenlijk twee dingen gedaan. Allereerst zorgden ze er met een speciaal algoritme voor dat de snelheid waarmee de thermoplastics tijdens het printen worden afgezet, varieert. Daarnaast combineerden ze de materialen die vatbaar zijn voor kromtrekking met rubber-achtig materiaal dat niet geneigd is om zich samen te trekken. Zo verkregen de onderzoekers controle over het kromtrekken van het materiaal. Wanneer het 3D-geprinte object uit de printer komt, is het plat en hard. Maar wanneer je het in warm water plaatst – warm genoeg om het object zacht en rubberachtig te maken, maar niet zo warm dat het plastic smelt – gaat het zich vouwen oftewel kromtrekken zoals de onderzoekers dat willen.

“Wij geloven dat het algoritme en de bestaande materiaalsystemen ons in staat zouden moeten stellen om uiteindelijk grote, krachtige objecten te maken die zichzelf vouwen, zoals stoelen, boten of zelfs satellieten,” aldus onderzoeker Jianzhe Gu. Ook biedt de techniek grote mogelijkheden voor hulporganisaties. Denk bijvoorbeeld aan noodwoningen die plat worden verscheept en zich op locatie onder invloed van zonnewarmte in de juiste vorm vouwen.

(scientias.nl)

02-05-2018

Nederlandse wetenschappers creëren embryo zonder bevruchting


 © REUTERS - Een muisembryo (archiefbeeld)

Wetenschap Nederlandse onderzoekers hebben voor het eerst nieuw leven laten ontstaan in een laboratorium, zonder dat er een bevruchting is geweest. De wetenschappers van het MERLN Instituut (Universiteit Maastricht) en het Hubrecht Instituut in Utrecht kweekten beginnende embryo’s uit stamcellen van muizen. Deze zogenoemde modelembryo’s tonen voor het eerst zoveel gelijkenis met natuurlijke embryo’s dat ze kunnen innestelen in de baarmoeder en zwangerschap kunnen initiëren.

Deze nieuwe methode zou volgens de onderzoekers de deur kunnen openen naar onderzoek naar en kennis over de eerste verborgen processen van het leven, vruchtbaarheidsproblemen en de embryonale oorsprong van ziekten. Het onderzoek is vandaag gepubliceerd in het wetenschappelijk tijdschrift Nature.

Directeur van het MERLN Instituut Clemens van Blitterswijk: “Dit onderzoek markeert het begin van een nieuwe biomedische discipline. Met grote hoeveelheden synthetische embryo’s kunnen we kennis opbouwen door het testen van nieuwe medische technieken en mogelijke geneesmiddelen. Deze ontwikkeling zal de noodzaak van het gebruik van dierproeven aanzienlijk verkleinen.”

(HLN)

02-05-2018

Hyperspectrale metingen vanaf nanosatelliet




Het Nederlandse bedrijf cosine heeft wereldwijd als eerste hyperspectrale metingen verricht vanaf een nanosatelliet.

Hun geminiaturiseerde ruimtecamera HyperScout deed deze metingen van de aarde vanaf een satelliet van slechts 30 cm lang, 20 cm breed en 10 cm hoog. HyperScout brengt met deze metingen de toestand van land, water, begroeiing en bebouwing op het aardoppervlak in kaart. Op de eerste aardobservatiefoto staat Cuba.


Op de eerste foto van Hyperscout staat Cuba (Copyright: Cosine)

‘Omdat wij al hyperspectrale metingen deden vanaf grote wetenschappelijke satellieten, zijn wij op het idee gekomen om die techniek ook voor nanosatellieten beschikbaar te maken’, vertelt hoogleraar natuurkunde Marco Beijersbergen, oprichter en directeur van cosine. ‘Wij waren al instrumenten aan het miniaturiseren voor planetaire missies en met HyperScout komt dat allemaal samen.’

In opdracht van ESA werkte het bedrijf mee aan de missies Mars Express, Venus Express en BepiColombo. ‘ESA vroeg ons om de miniaturisatie te doen voor die planetaire missies omdat wij een bedrijf zijn met veel natuurkundigen. Voor miniaturiseren moet je terug naar de basis. Wij stellen ons daarbij de vragen: wat heb je nou eigenlijk écht nodig en wat zijn de échte beperkingen die de natuur ons oplegt? En dan kijken we of we het op een heel andere manier kunnen doen.’

Cosine ontwikkelde HyperScout met Nederlandse partners, waaronder de TU Delft en met steun van ESA en het Netherlands Space Office. HyperScout kan weliswaar minder dan de versie voor grote satellieten, maar het instrument, de satelliet en de lancering kostten maar een honderdste van die prijs, waardoor er voor hetzelfde geld veel meer van in een baan om de aarde gebracht kunnen worden. Hierdoor ontstaat een veel grotere dekking.

In de komende periode worden verschillende toepassingen voor de camera ontwikkeld. ‘Uiteindelijk wordt software voor de eerste applicaties naar HyperScout geüpload en kan het instrument verder worden verfijnd.’

(technischweekblad.nl)