Je leest:

‘Wat op nanoschaal gebeurt, werkt door in de plaattektoniek’

‘Wat op nanoschaal gebeurt, werkt door in de plaattektoniek’

Interview met nano-geoloog Oliver Plümper

Auteur: | 19 augustus 2019
Markus Ohl, Universiteit Utrecht

Aardbevingen, ertsafzettingen, de waterkringloop door de aarde: allemaal worden ze beïnvloed door wat er op de schaal van enkele nanometers (miljardsten van een meter) in het gesteente gebeurt. Om die reden brengt aardwetenschapper Oliver Plümper een deel van zijn tijd door achter de elektronenmicroscoop.

Bij aardwetenschappen denk je al gauw aan grootschalige gebeurtenissen: aardschollen die opbreken, gebergten die omhoog komen, uitbarstende vulkanen, rivieren die zich een weg door het landschap vreten… Toch zit aardwetenschapper Oliver Plümper van de Universiteit Utrecht regelmatig achter een elektronenmicroscoop om nanoverschijnselen te bestuderen. Waarom is dat?

Dit artikel verscheen eerder in de Geo.brief, een uitgave van het KNGMG.

Nanoprocessen zijn processen op de schaal van miljoensten van millimeters.
Oliver Plümper, Universiteit Utrecht

Je bestudeert de aarde op nanoschaal. Betekent dat dat je geïnteresseerd bent in de meest kleinschalige processen op aarde?

“Jazeker! Maar dat niet alleen. Wat er op nanoschaal gebeurt – dus op de schaal van miljoensten van millimeters – is uiteindelijk ook belangrijk voor de grootschalige processen. Verstoringen in gesteente op nanoschaal kunnen bijvoorbeeld verantwoordelijk zijn voor defecten in het mineraalrooster, die op hun beurt weer invloed hebben op de snelheid en wijze waarop het materiaal vervormt. Uiteindelijk werkt het dan door tot aan de plaattektonische processen.”

“Of kijk naar nanoporiën in het gesteente. Die kunnen invloed hebben op de chemische reacties die plaats kunnen vinden, en zo uiteindelijk bepalen waar je ertsafzettingen vindt. Wat mij boeit is hoe nanofysica doorwerkt in wat we om ons heen zien gebeuren – en of dit sommige nu nog onbegrepen processen kan verklaren.”

Zoals?

“Een goed voorbeeld is de infiltratie van water in gesteente. We weten dat water een rol speelt bij veel chemische processen, tot op grote diepte. Maar hoe komt het water daar, en hoe verplaatst het zich? Als het gesteente poreus is, kan het water zich langs de gesteentekorrels verspreiden, maar ook in gesteente dat niet poreus is zien we reacties met water optreden.”

“Ons onderzoek heeft laten zien dat dit op nanoschaal gebeurt. Het water baant zich een weg door het gesteente, door zelf kanaaltjes te creëren van ongeveer 100 nanometer breed. Dat kan verrassend rap gaan, met een snelheid van enkele millimeters per jaar. De vraag die hierbij ook opduikt, is of dit allemaal nog volgens de regels van de klassieke natuurkunde verloopt, of dat we hierbij al in de wetten van de quantummechanica zijn beland. Dat maakt het extra interessant.”

Vorming van talksteen (wit) in ultramafisch gesteente door infiltratie van water.
Andreas Beinlich (Curtin University, Perth, Australia).

Dus als ik het goed begrijp kan water overal doorheen?

“In elk geval hoeft het gesteente niet per se permeabel te zijn, in de klassieke betekenis van het woord (dus voorzien te zijn van minuscule openingen waar het water doorheen kan, red.). Het lijkt ook een rol te spelen bij de diepe waterkringloop. De waterkringloop aan het aardoppervlak leren we allemaal op school: het water verdampt uit de oceanen, regent vervolgens weer omlaag en komt, rechtstreeks of via rivieren, weer in de oceaan terecht.”

“Maar er is nóg een waterkringloop, alleen is die gedeeltelijk aan ons oog onttrokken. Ook in de aardschollen zitten namelijk veel watermoleculen. Ze zijn deels vanaf het oppervlak geïnfiltreerd, en worden tijdens subductie, dus als de plaatranden omlaag duiken, mee de diepte in gesleurd. Maar wat gebeurt er daarna? Ook hier vormt het water zijn eigen doorgangen, zo blijkt. Er treden chemische reacties op waarbij een netwerk van kanaaltjes geproduceerd wordt – met doorsneden van enkele micrometers tot meer dan een meter. Het water komt via die kanalen weer naar boven, en bereikt uiteindelijk via vulkanen het aardoppervlak.”

Uitgelicht door de redactie

Biotechnologie
Wat tanken we in de toekomst?

Biologie
Maken genetisch gemodificeerde muggen een eind aan malaria?

Klimaatwetenschappen
Drijvende woningen vanwege het stijgende water

En dat kan je allemaal afleiden uit wat je ziet door je microscoop?

“Nee, ik probeer veel samen te werken, en juist alle soorten onderzoek te koppelen. We gaan het veld in, draaien computermodellen, en kijken naar de kleinste processen die we nog kunnen bestuderen. Het gaat er om alles aan elkaar te koppelen. Dan kan je uiteindelijk ook naar de praktische toepassingen toe.”

Zijn die er?

“Ja. Meer kennis over kleinschalige processen kan nieuwe licht werpen op hoe aardbevingen werken, of hoe we efficiënt CO2 kunnen opslaan. De CO2-uitstoot lijkt niet voldoende af te nemen, dus de kans dat we uiteindelijk toch naar grootschalige CO2-opslag toe moeten is groot. CO2 kan zich vastleggen in gesteente, maar het nadeel is dat dat ontzettend langzaam gaat. Wij zijn aan het kijken of we met nanotechnologie oplossingen kunnen vinden om het proces te versnellen, en welke mineralen bijvoorbeeld goed als katalysator zouden kunnen werken.”

En is dat veelbelovend onderzoek? Heeft het al iets opgeleverd?

“Ja! Alleen kan ik daar verder nu nog niks over zeggen. Dit onderzoek wordt betaald door de industrie, de resultaten zijn vooralsnog vertrouwelijk.”

Oké. En aardbevingen, zei je?

“Vooral het gedrag van het gesteente in de breuk. Mijn collega Bart Verberne heeft voor zijn promotie-onderzoek testen in het lab gedaan waarbij hij twee stukken gesteente onder hoge druk langs een breuk ten opzichte van elkaar liet verschuiven. Het bleek dat er tijdens zo’n nagebootste aardbeving nano-gesteentekorrels op het breukvlak ontstaan, sommige van maar 5 nanometer.”

Spiegelbreukvlakken zichtbaar op de Arkitsa-breuk in Griekenland
Oliver Plümper, Univesiteit Utrecht

“We zien dat ook in het echt in het veld, vooral op breukvlakken in carbonaatgesteenten. Zelf werken we aan breuken in Griekenland, waaronder de beroemde Arkitsa-breuk, maar ook de Kfar Giladi groeve in Israel, vlak bij de Dode Zee, is er een goed voorbeeld van. Deze breuken hebben zogeheten spiegelbreukvlakken, je ziet het zonlicht er in weerkaatsen. Dat blijkt nu te komen door de laag nanodeeltjes die over het breukvlak heen ligt.”

“Maar waar komen die nanodeeltjes vandaan, en hoe gedragen ze zich? Kunnen we hiermee beter begrijpen wat er tijdens een aardbeving gebeurt, of het schuifgedrag van de verschillende steensoorten verklaren? Dat zijn onderzoeksvragen waar we nu druk mee bezig zijn.”

Maar nanodeeltjes zijn dus natuurlijke deeltjes? Zijn er meer plekken waar je die tegen kan komen?

“Jazeker zijn dat natuurlijke deeltjes – al maken we ze ook zelf tegenwoordig. De hydrothermale bronnen (natuurlijke warmwaterbronnen) bij de spreidingsruggen in de oceanen (waar de platen uit elkaar scheuren, red.) behoren tot de grootste producenten van deze nanodeeltjes die we kennen.”

Hoe kom je als aardwetenschapper eigenlijk in de nanowereld terecht?

“Als ik door een microscoop keek, was ik altijd gefascineerd door het kleinste dat ik nog kon onderscheiden. Dat is, met de steeds betere microscopen, steeds kleiner geworden. In Oslo werkte ik aan een instituut dat specifiek naar de fysica van de aardwetenschappen keek. In de natuurkunde zijn ze al veel verder met de nano-theorieën dan wij, maar ik denk dat de kracht in de combinatie ligt. Het boeit me.”

Wie is Oliver Plümper?

Oliver Plumper (Universiteit Utrecht) in het gesteentelab

Bill Crawford (IODP, International Ocean Discovery Program).

Oliver Plümper studeerde aardwetenschappen aan de Universiteit van Münster in Duitsland en deed zijn promotie-onderzoek bij het Center for Physics of Geological Processes (PGP) van de Universiteit van Oslo in Noorwegen. Sinds 2013 is hij universitair docent aan de Universiteit Utrecht. Plümper ontving een VENI-beurs van NWO in 2013, en won vorig jaar de Victor-Moritz-Goldschmidtprijs van de Duitse Mineralogische Vereniging voor zijn werk van de afgelopen vijf jaar.

Dit artikel is een publicatie van NEMO Kennislink.
© NEMO Kennislink, sommige rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 19 augustus 2019

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.