Je leest:

Virtuele natuur

Virtuele natuur

Auteur: | 19 december 2006

Wetenschappers spelen steeds vaker computerspelletjes. Op het beeldscherm verschijnen achtereenvolgens kunststoffen, melk, eiwitklompjes. ‘Kijk, hier scheiden melk en room. En daar kristalliseren de eiwitten.’ Zonder zijn bureau te verlaten doet Daan Frenkel onderzoek naar uiteenlopende onderwerpen als de atmosfeer van Jupiter, processen in de chemische industrie en biologische meettechnieken. Hij werkt bij het FOM-Instituut voor Atoom- en Molecuulfysica en is hoogleraar bij de Universiteit van Amsterdam en de Universiteit Utrecht.

‘Een botsing tussen twee biljartballen kun je nog wel berekenen met je kennis van natuurwetten. Maar bijna alle praktische problemen zijn ingewikkelder,’ legt Frenkel uit. ‘Het rekenwerk dat nodig is om te voorspellen wat er gebeurt, is eindeloos en daardoor meestal onmogelijk.’

Virtuele natuur: met de computer onderzoeken hoe deeltjes in een vloeistof of in een zacht materiaal elkaar beïnvloeden. Hier is het raakvlak tussen deeltjes in vaste (linksboven) en in vloeistoffase (rechtsonder) te zien. Bron: FOM / AMOLF

Een overvloed aan details

Er gaapt dus een grote kloof tussen de kennis van natuurwetten en de processen die je om je heen ziet. Ga maar na. Om de schade van een botsing tussen twee auto’s te voorspellen, moet je heel precies berekenen hoe elk stukje metaal indeukt, waar er scheurtjes optreden en hoe sommige stukken staal terugveren. Het hele proces voldoet natuurlijk gewoon aan de wetten van behoud van energie en impuls. In principe kun je de gevolgen van de botsing dus bepalen, maar met potlood en papier kunnen we het verloop niet doorrekenen.

Dit is een simulatie van een groeiende kristallisatiekern in een vloeistof. Als een vloeistof stolt (bevriest), gebeurt dat het eerst rond dit soort kernen. Bron: FOM / AMOLF

Vele kleintjes maken een…

Met de computer als hulpmiddel kunnen dit soort vraagstukken wel worden aangepakt, legt Frenkel uit. Het grote probleem wordt opgedeeld in vele kleine problemen, die stuk voor stuk wel kunnen worden opgelost. Hoe een auto indeukt weten we niet, maar wel hoe een schroefje ombuigt bij een bepaalde krachtwerking. Of hoe een stripje staal verfrommelt. Zo kan elke vierkante centimeter staal van een auto individueel in kaart worden gebracht. Bij andere problemen houdt de computer bij hoe elk afzonderlijk molecuul zich in een vloeistof gedraagt. Of hoe verschillende stoffen zich in de aardatmosfeer bewegen. Voor elk onderdeel wordt de invloed van de naburige onderdelen uitgerekend. Wordt er een kracht uitgeoefend? Hoe vast zit het ene onderdeel aan het andere?

Die kleine problemen zijn overzichtelijk en vaak eenvoudig te berekenen met de simpele natuurwetten van biljartballen. Zo kan worden uitgerekend hoe elk onderdeel er een microseconde later uitziet, en daarna weer een fractie van een seconde later. Als je dat voor alle onderdelen doet, wordt uiteindelijk duidelijk hoe de auto indeukt. Of hoe een vloeistof stroomt. Want de rekentechniek kan in veel verschillende situaties worden toegepast.

Computersimulatie van de verspreiding van een vloeistof door de grond. Bron: FOM / AMOLF

Bron: FOM / AMOLF

Bron: FOM / AMOLF

Frenkel’s groep specialiseert zich in complexe vloeistoffen. Zo heeft bijvoorbeeld zijn voormalige medewerker, Christopher Lowe, uitgerekend hoe vervuiling in grondwater zich geleidelijk verspreidt. Door nauwe poriën in de grondlagen gaat dat langzamer dan door brede spleten, maar hoe precies was niet helemaal duidelijk.

Vervuilingsspecialisten gebruikten enkele vuistregels om dat uit te rekenen. Toen Lowe de verspreiding van vervuiling ging nadoen in de computer, bleken die rekenregels niet te kloppen. De verschillen bleken vooral op lange termijn op te treden. Juist in dat soort situaties is de computer handig, want daarmee kun je het proces versneld simuleren. Je doet niet makkelijk een duizend jaar durend experiment in de bodem.

Overal toepasbaar

Vaak vinden nieuwe rekentechnieken onverwachte toepassingen. Zo werd een vergelijkbare rekentechniek door anderen toegepast om de effectiviteit van tandpasta uit te rekenen. Dit gebeurde in het researchlaboratorium van Unilever, producent van onder meer Signal, Close-Up en Mentadent. Op die manier kon worden nagegaan hoe verschillende stoffen doordringen in tandplaque. Een echt stukje plaque was gefotografeerd, met alle poriën en holtes die daarin zitten. Daarna kon worden berekend hoe snel verschillende stoffen door die poreuze tandplaque heen dringen en bij het tandglazuur uitkomen.

Dat belooft een nieuwe manier te worden om snel de effectiviteit van verschillende reinigingsstoffen te bestuderen. Nu moet een groep proefpersonen nog steeds een tijdje de tanden poetsen met het nieuwe middel en daarna moet een mondhygiënist het resultaat bij elk proefpersoon bestuderen. Met een computer heb je minder vaak proefpersonen nodig.

Zo is de computer een krachtig instrument geworden voor natuurkundigen. Het is een nieuwe manier om kennis te vergroten. Het komt naast de twee traditionele middelen die de natuurkundigen ter beschikking staan: experimenten en theoretische beschouwingen. De computer speelt na wat op papier niet uit te rekenen is. De computer simuleert omstandigheden, die met experimenten niet makkelijk zijn na te doen. Dat geldt voor het traag doorsijpelen van vervuiling in het grondwater, maar bijvoorbeeld ook voor proeven met heel giftige of explosieve stoffen. ‘Een computer ontploft niet en wordt niet aangetast als je er het gedrag van een sterk zuur mee narekent,’ aldus Frenkel.

Een voorbeeld daarvan vormen de berekeningen voor destillatie van een mengsel ruwe olie, die Berend Smit, een voormalig promovendus van Frenkel en tegenwoordig hoogleraar aan de Universiteit van Amsterdam, uitvoerde op het laboratorium van Shell in Amsterdam. In zo’n mengsel zitten veel verschillende koolwaterstoffen, met allemaal hun eigen kooktemperatuur. ‘Een oliemaatschappij wil dat precies weten, want daar stemmen ze hun procesinstallaties op af. Maar van lang niet alle ingrediënten kennen we het kookpunt. Sommige koken bij zo’n hoge temperatuur, dat het in de praktijk moeilijk afzonderlijk is te meten. Voor de computer is dat geen probleem.’

Meer lezen over computersimulaties:

Dit artikel is een publicatie van Stichting Fundamenteel Onderzoek der Materie (FOM).
© Stichting Fundamenteel Onderzoek der Materie (FOM), alle rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 19 december 2006

Discussieer mee

0

Vragen, opmerkingen of bijdragen over dit artikel of het onderwerp? Neem deel aan de discussie.

NEMO Kennislink nieuwsbrief
Ontvang elke week onze nieuwsbrief met het laatste nieuws uit de wetenschap.