De vraag kan optreden bij metalen balken die in een constructie de juiste combinatie van hardheid en buigzaamheid moeten hebben. Die eigenschappen worden uiteindelijk bepaald door de atomen waaruit het metaal is opgebouwd, en de krachten die zij op elkaar uitoefenen. Maar het zelfde geldt voor alle soorten materialen – composietvezels, biomaterialen of iets basaals als stromend water. Zelfs orkanen in de aardse atmosfeer bestaan uiteindelijk uit oneindige hoeveelheden minuscule atomen die krachten op elkaar uitoefenen en zo op enorme schaal in werveling komen.
Dit artikel is overgenomen uit De Nederlandse Wetenschapsagenda van de Koninklijke Nederlandse Akademie van Wetenschappen (KNAW). Het is onderdeel van het Kennislinkdossier Tien uitdagingen voor de chemie.
Materiaalwetenschappers willen het gedrag van materialen in het groot kunnen begrijpen en voorspellen op basis van hoe ze eruit zien op atomaire schaal. Het mooist zou het zijn als ze gedetailleerde wetmatigheden ontdekken die voor elk type materiaal geldig blijken te zijn. Dan, als ze zover zouden zijn, hebben ze nóg een droom: die wetten gebruiken om nieuwe materialen, met nauw omschreven eigenschappen, op de tekentafel te ontwerpen, zuiver op basis van de atomen waaruit ze worden opgebouwd.
Slimme manier
Om de relatie tussen verschillende schalen te doorgronden worden rekenmodellen gebruikt. Door op de kleine schaal de krachten tussen vele atomen onderling te berekenen, kan het gedrag van een materiaal op grotere schaal in de computer worden gesimuleerd. Door de voorspelling vervolgens te verifiëren aan de werkelijkheid, kan het model stap voor stap worden verbeterd.
Weer- en klimaatmodellen illustreren de kracht en beperkingen van zulke modellen. Supersnelle computers kunnen het gedrag van de atmosfeer tegenwoordig redelijk goed voorspellen, maar uiteindelijk is elk model een versimpeling van de werkelijkheid. Het ideale model zou de hele aardatmosfeer opdelen in ‘celletjes’ van een paar kubieke centimeter, maar geen computer zou in staat zijn die berekening af te krijgen.
In de praktijk moet veel informatie worden weggelaten om de berekening praktisch te houden, maar dat weglaten moet op een slimme manier. ‘Multischaalmodellen’ gebruiken zulke methodes. Eén aanpak is bijvoorbeeld om de rekenkracht te concentreren op die plekken waar de krachten het grootst zijn. Een andere is om iets dat optreedt in een tussenliggende schaal zo op te nemen in het model voor de grootste schaal dat het mogelijk is de rekenkracht flink te beperken.
De ontwikkeling van multischaalmodellen is de laatste jaren al flink gevorderd. Nieuw is bijvoorbeeld dat wetenschappers proberen ook toevalsprocessen mee te nemen in hun modellen, en de wisselwerking tussen een materiaal en zijn omgeving. Multischaalmodellen helpen antwoord te geven op grote wetenschappelijke vragen. De opties om op termijn deze kennis toe te passen in uiteenlopende gebieden als biomaterialen, energie en milieu en veiligheid, zijn legio.
Chemie in De Nederlandse Wetenschapsagenda
Dit artikel is overgenomen uit De Nederlandse Wetenschapsagenda van de Koninklijke Nederlandse Akademie van Wetenschappen (KNAW). Deze Agenda is een bundeling van uitdagende onderzoeksvragen op alle wetenschapsgebieden.
De redactie Scheikunde van Kennislink selecteerde tien hoofdstukken met relevantie voor de scheikunde. Ze geven een mooi overzicht van belangrijke actuele thema’s in het Nederlandse chemisch wetenschappelijke onderzoek:
- Kunnen we zonlicht in onze volledige energiebehoefte laten voorzien?
- Hoe verlopen biochemische reacties in levende cellen?
- Kunnen wij zelf een levende cel in elkaar zetten?
- Kunnen we organen nabootsen op een chip?
- Kan chemische reactiviteit theoretisch worden voorspeld?
- Kunnen we moleculen zichzelf laten assembleren tot nieuwe structuren?
- Hoe ontwerpen we duurzame chemische productiemethoden?
- Kunnen we nieuwe materialen ontwerpen op de schaal van atomen?
- Kunnen we materialen maken die defecten zelf herstellen?
- Kunnen we het gedrag van complexe en levende materie begrijpen?
Alle hoofdstukken uit De Nederlandse Wetenschapsagenda zijn bij de KNAW als PDF te downloaden. Een gedrukte versie is verkrijgbaar bij Amsterdam University Press of te bestellen via de boekhandel: ISBN 978-90-6984-627-9