De Israëlische materiaalkundige Dan Shechtman won de Nobelprijs voor de Chemie in 2011. Dat is opmerkelijk want hij deed het onderzoek waarvoor hij die prijs kreeg al in 1982. Op 8 april om precies te zijn. En ook dat is bijzonder, want hoe vaak kun je nu een Nobelprijswinnend onderzoek terugvoeren op één ontdekking?
Op deze dag ontdekte Shechtman dat er niet alleen gewone kristallen bestaan waarin de atomen in drie dimensies zijn geordend, maar dat er ook kristallen zijn die wel geordend zijn, maar een oneindig patroon vertonen zonder herhaling. Hij noemde ze quasiperiodische kristallen, kortweg quasikristallen.
Deze ontdekking sloeg in als een bom in de fundamentele en gevestigde kristalwetenschap. Vanaf de dag van de ontdekking werd Shechtman op z'n zachtst gezegd niet geloofd en soms zelfs botweg uitgescholden. De tweevoudig Nobelprijswinnaar Linus Pauling was zijn grootste vijand. Hij schijnt gezegd te hebben: 'Er bestaan geen quasikristallen, enkel quasiwetenschappers.' Pas toen Pauling overleed in 1994 stierf de kritiek op Shechtmans onderzoek ook uit. De toekenning van de Nobelprijs moet voelen als een lange neus naar Pauling, maar de hoogleraar ziet dat zelf niet zo. 'Een goede wetenschapper is een bescheiden wetenschapper die openstaat voor nieuwe ontdekkingen,' zegt hij. Dat hij de prijs nu pas heeft gekregen, daar gaat het comité over en hij niet.
Trots is hij wel, getuige de stropdas die hij sinds de toekenning bij alle openbare gelegenheden draagt. Er staat een blauw motief op, een 'artist impression' van het bekende plaatje van de atomen in een quasikristal. Shechtman laat het label op de achterkant zien dat de naam vermeldt van het quasikristal, het fantasiemateriaal Shechtmanite. 'Speciaal voor mij ontworpen,' grijnst de Nobelprijswinnaar.
Meneer Shechtman, wat is een quasikristal precies?
'Please call me Danny. Om te begrijpen wat een quasikristal is moet je eerst weten wat een kristal is. De eerste metingen aan een kristal werden precies honderd jaar geleden gedaan. Uit die metingen bleek dat een kristal een vaste stof is waarin de atomen geordend zijn in een patroon dat zichzelf in drie dimensies herhaalt. De symmetrie in dat patroon voldoet aan enkele wiskundige regels, bijvoorbeeld dat vijf- en tienvoudige symmetrie niet voorkomt. Tot mijn ontdekking in 1982 voldeden letterlijk alle kristallen aan deze regel. Dat waren er meer dan honderdduizend. De definitie is nog steeds geldig voor gewone, zogenoemde periodische kristallen. Maar het bleek dat er nog iets anders is, namelijk stoffen waarin de atomen wel geordend zijn maar waar het patroon zich nooit herhaalt en waarin vijf- en tienvoudige symmetrie wel voorkomen. Dat zijn quasikristallen.
Quasikristal klinkt als een heel exotisch materiaal.
Ze zijn voor 1982 nooit waargenomen maar ze zijn helemaal niet zo exotisch. Zijn quasikristallen zeldzaam? Helemaal niet! Er bestaan honderden verschillende soorten. Zijn ze dan van zeldzame materialen gemaakt? Meestal niet. Het zijn mengsels van hele gewone metalen. Bijvoorbeeld aluminium, koper en lithium samen vormen een quasikristal. Zijn ze dan soms instabiel? Vallen ze al uiteen als je ze aanraakt? Zelfs dat niet. De meeste zijn stabiel bij kamertemperatuur en als ze niet stabiel zijn vallen ze pas bij hoge temperatuur van enkele honderden graden uiteen. Zijn ze dan misschien moeilijk te maken? Integendeel! Elke methode waarmee je een gewone metaallegering kunt maken, kun je ook gebruiken om een quasikristal te maken. Daar zijn diverse gangbare procedures voor zoals smelten en gieten, groeien van eenkristallen, elektrodepositie en dampdepositie.
Waarom zijn er voor 1982 geen quasikristallen gevonden?
De belangrijkste reden is dat kristallen gemeten werden met een techniek die röntgendiffractie heet. Daarvoor heb je grote kristallen nodig, het formaat van een zandkorreltje. Quasikristallen van die grootte bestonden toen nog niet. Ik gebruikte elektronendiffractie, een heel andere techniek niet op basis van röntgenstralen maar met een elektronenbundel. Daarmee kun je zeer kleine kristallen meten, zoals die van een of twee micrometer die wij maakten. De tweede reden is professionaliteit. Je moet heel erg goed zijn met een elektronenmicroscoop om deze diffractiepatronen te zien. Ik ben een expert op mijn gebied, dat zijn er maar weinig. Daarnaast moet de onderzoeker ook vasthoudend zijn en moedig om enige weerstand te bieden aan kritiek.
Strikt genomen was u niet de eerste, toch?
Dat klopt. Er is een promovendus geweest die een diffractiepatroon met tienvoudige symmetrie heeft gezien lang voordat ik het zag. Dat weet ik omdat ik zijn professor heb gebeld. Die heeft de plaatjes van al zijn studenten nog in een la liggen en bekeken. Deze hoogleraar heeft de student gebeld en gevraagd: 'Wist jij niet dat je deze tienvoudige symmetrie hebt gezien en dat dat bijzonder was?' 'Jawel,' zei de student. 'Waarom heb je dan niets tegen mij gezegd?' 'Dan had u mij gevraagd om nog twee jaar extra te blijven studeren.' Dit verhaal illustreert dat je ook vasthoudend moet zijn voor echt grote ontdekkingen. De student is overigens nu succesvol in het bedrijfsleven.
Hoe heeft u quasikristallen ontdekt?
Het labjournaal waarin de meting staat heb ik nog. Het is slordig geschreven en nooit bedoeld om openbaar te maken zoals nu gebeurt. Ik werkte die dag aan aluminium-mangaanverbindingen. Ik nam de diffractiepatronen op en telde het aantal buren van de atomen. Ik telde er tien. Dat kon niet waar zijn, tienvoudige symmetrie was immers verboden. Ik telde nogmaals en kwam weer tot tien. Ik noteerde '10-fold???' in mijn labjournaal; tienvoudige symmetrie, met drie grote vraagtekens. In de tijd daarna heb ik allerlei experimenten gedaan die uitsloten dat het een artefact of foute meting was. In 1984 wilde ik het publiceren. Dat lukte pas toen ik hulp kreeg van onder andere Ilan Blech en John Cahn. Mijn directe baas bij het Technion heeft me in die tijd verzocht om weg te gaan. Hij vroeg me of ik het leerboek over kristallografie niet kende waarin stond dat wat ik beweerde niet waar kon zijn. Gelukkig kon ik via een andere weg toch bij het Technion blijven werken. Maar de weerstand tegen de ontdekking bleef bestaan.
Wat kunnen we met uw ontdekking?
Het echte belang van mijn onderzoek is de paradigmaverschuiving. Voor mijn ontdekking was de definitie van een kristal heel hard geformuleerd. Alle kristallen moesten wel geordend en periodiek zijn, eenvoudigweg omdat er geen voorbeelden bekend waren die deze stelling tegenspraken. Het duurde jaren voordat het bestaan van quasikristallen werd geaccepteerd, maar toen werd de definitie van een kristal ook aangepast. Ik vind het een heel mooie, bijna lyrische definitie die de International Union of Crystallography in 1991 formuleerde: 'Met een kristal bedoelen we een vaste stof die een in essentie scherp diffractiepatroon heeft. Met een aperiodisch kristal (een quasikristal, BW) bedoelen we een kristal waar driedimensionale periodiciteit afwezig geacht is.' 'In essentie', 'geacht', 'we bedoelen'. Dat is toch een heel nederige definitie? Ik vind dat een wetenschapper bescheiden moet zijn. Daarom vind ik het een mooie definitie.
Echte toepassingen zijn er dus niet?
Als je maar lang genoeg wacht duiken er altijd wel toepassingen op van een fundamentele ontdekking. Toen Einstein de relativiteitstheorie beschreef was er niemand die een toepassing wist. Vandaag de dag is het ondenkbaar dat we zonder satellietnavigatie zouden moeten leven. De relativiteitstheorie is essentieel voor het werken daarvan.
Maar die toepassing is voor quasikristallen nog niet gevonden.
O jawel, er zijn er een paar. Een bedrijf in Zweden, Sandvik, maakt een zeer vervormbaar en sterk soort roestvrij staal waar deeltjes van een quasikristal in zitten. In Japan wordt een katalysator gemaakt van een quasikristal met een koperoppervlak. Verder heeft een quasikristal een zeer lage oppervlaktespanning. Dat betekent dat ze vergelijkbare eigenschappen hebben als teflon, dus antiaanbaklagen. Maar in dit geval is het antiaanbaklaag met metaalachtige eigenschappen in plaats van plasticachtige zoals teflon. In al deze gevallen kun je de bijzondere eigenschappen toeschrijven aan de bijzondere rangschikking van quasikristallen. Maar voor de toepassingen had ik zeker nooit de Nobelprijs gekregen.
Wat is er zo leuk aan uw onderzoek?
'The difference between men and boys is the price of their toys.' Mensen vragen zich af waarom het leuk is om de hele dag in het donker achter een apparaat stippen te bekijken. Maar voor mij is het bijna een spel, ik geniet ervan. Mijn boodschap is dan ook: kies een vak dat je echt leuk vindt en zorg daarna dat je er een expert in wordt.
Ik zag bij mijn bezoek aan FEI Company in Eindhoven, dat vroeger Philips was, de oude elektronenmicroscoop staan van hetzelfde type waar ik mijn ontdekking op heb gedaan. Het was een emotioneel weerzien, alsof ik een oude vriend ontmoette die ik lang niet had gezien. Deze apparaten worden niet meer gemaakt en in mijn instituut staat hij niet meer.
U heeft de wereld over u heen gekregen omdat u iets beweerde wat niet kon volgens de gangbare theorieën. Dat is niet aangenaam een toch raadt u onderzoekers aan om vasthoudend en moedig te zijn.
Laten we eerlijk zijn, in de meeste gevallen klopt het ook echt niet als iemand iets bijzonders ontdekt dat ingaat tegen alle gevestigde theorieën. Neem koude kernfusie. Meestal is het een artefact of gewoon een blunder. Onderzoekers moeten dus ook open staan voor discussies met anderen. Zodat ze de ander van hun gelijk kunnen overtuigen, of overtuigd worden van hun ongelijk.
Wie is Dan Shechtman?
Dan Shechtman werd in 1941 in Tel Aviv, Israël geboren. Hij promoveerde aan de oudste Israëlische universiteit Technion in Haifa als materiaalkundige. Hij werkte vervolgens enkele jaren in de Verenigde Staten en in 1975 ging hij weer bij de afdeling materiaalkunde aan het Technion werken, waar hij nog steeds in dienst is als 'distinguished professor'. Van 1981 tot 1983 werkte hij echter gedurende een sabbatical aan de Amerikaanse Johns Hopkins University. Juist hier ontdekte hij de quasikristallen, tijdens zijn onderzoek aan legeringen van aluminium en overgangsmetalen. De zogeheten icosaëdrische fase van het eerste quasikristal (een kristal met twintig vlakken) is nog steeds zijn favoriete onderzoeksonderwerp. Shechtman won al eerder prestigieuze prijzen zoals de Israel Prize voor natuurkunde in 1998, de Wolf Physics Prize in 1999 en de 2002 EMET prijs voor chemie.
Dit artikel is gepubliceerd in KIJK nr 10, 2010.
