Simon Stevin Gezel 2013

Nr. 09 Technologisch Toptalent

oktober 2013

Technologiestichting STW

Simon Stevin Gezel

13

Inhoud

1 Technologisch Toptalent 2013

02 28

04

32

06

36

08

40

44

48

52

26

56

14

20

Voorwoord

Eppo Bruins

Simon Stevin Gezelprijs

2013

Finalisten

Simon Stevin Gezel 2013

Meten met licht

dr.ir. Nienke Bosschaart

Olie zoeken met wiskunde

dr.ir. Joost van der Neut

Een wortelkanaal schoontrillen

dr.ir. Bram Verhaagen

Overige kandidaten

Kun je met echografie

beroertes voorspellen?

dr.ir. Rik Hansen

Puzzelen met vezels

dr.ir. Lars Beex

De chirurg onder de loep

dr.ir. Loubna Bouarfa

De duivel zit in de details

dr.ir. Kundan Kumar

Hoe je een stofzuigerslang

tot zwijgen brengt

dr. Günes Nakiboglu

Wervelend onderzoek

dr. Daniele Ragni

Een nieuw recept voor vuurvast staal

dr. Hemant Sharma

Colofon

2 Technologiestichting STW Simon Stevin Gezel 2013


De toekomst belooft in allerlei opzichten smart te zijn: smart energy, smart grids, smart

vehicles, smart windows. Het bionische pak, waarvan verleden jaar op het jaarcongres van STW

een prototype werd gedemonstreerd, lijkt nog haast science fiction, maar ook zoiets komt er

aan. Er zit dan vast slim textiel in. Dromen en profeteren over dit soort ontwikkelingen is één

ding, ze realiseren is iets anders. Voor slim textiel weef je bijvoorbeeld elektronische sensoren

in het weefsel. Hoe houdt dergelijke stof zich: gaat hij sneller scheuren, gaan de vezels gemak-

kelijker breken? Heel relevante vragen over het gebruik ervan en dus moet de productie er

een antwoord op hebben. Dat antwoord bleek nog niet zo maar voorhanden. Als basis daarvoor

moet je textielvezels goed kunnen modelleren. In een STW-project heeft promovendus Lars

Beex uitgezocht hoe je dat het beste kunt doen. Het bleek dat de zogeheten quasicontinue

methode die natuurkundigen gebruiken om op basis van atoomroosters materiaaleigenschappen

te modelleren met succes aangepast kon worden voor mesoscopische vezelstructuren. Funda-

mentele kennis is vereist voor het realiseren van technologische vernieuwingen. Dat weten we

natuurlijk allemaal maar het is altijd weer mooi te zien dat dit ook werkelijk zo is.

De net-gepromoveerde onderzoekers die voor dit boekje geïnterviewd zijn, zijn

allemaal briljante jonge wetenschappers die werkelijk nieuwe inzichten hebben ontwikkeld.

Ze hebben gewerkt aan de meest uiteenlopende onderwerpen. Van de vraag hoe we vanaf

het aardoppervlak kunnen zien of er onder ondoordringbare gesteenten toch olie zit, tot de

behoefte aan een verbeterde röntgentechniek voor het bestuderen van atoomclusters in

metalen die onverwacht leidde naar een nieuw recept voor vuurvast staal.

Het is dit soort onderzoek, het beantwoorden van fundamentele vragen met een niet

altijd gewisse uitkomst, veelal geïnspireerd door gedachten over toekomstige technologie, dat

het hart van het STW-werk vormt. Het leidt tot nieuwe inzichten, talentvolle jonge mensen die

de toppen van hun kunnen hebben verkend en kennis waar gebruikers vaak mee verder kunnen.

Alle verhalen in dit boekje zijn er voorbeelden van.

Eppo Bruins, directeur Technologiestichting STW



De Simon Stevin Gezelprijs wordt door Technologiestichting STW jaarlijks

uitgereikt aan ‘de beste promovendus op een STW-project’ van het voorgaande jaar. Het is

een aanmoedigingsprijs van 5.000 euro, te besteden aan een activiteit ter bevordering van

de (wetenschappelijke) loopbaan van de onderzoeker. Promovendi moeten zijn voorgedragen

door hun projectleider, waarna bij STW een screening plaatsvindt op grond van publicaties/

citaties en activiteiten op utilisatiegebied. De doorslag geeft uiteindelijk de manier waarop

de kandidaten op de shortlist in staat zijn een lekenpubliek te informeren en te enthousias-

meren voor hun onderzoek.

De verkiezing van de Simon Stevin Gezel is een vast onderdeel van het jaarcongres

van STW. Uit de nominatie voor de wedstrijd selecteert een jury drie finalisten die zich tijdens

het congres presenteren. In dit boekje vindt u interviews met de drie finalisten en de overige

kandidaten die werden voorgedragen voor de competitie om de Simon Stevin Gezel-prijs 2013.

De drie finalisten zijn:

dr.ir. Nienke Bosschaart (Universiteit van Amsterdam)

‘Meten met licht’

dr.ir. Joost van der Neut (Technische Universiteit Delft)

‘Olie zoeken met wiskunde’

dr.ir. Bram Verhaagen (Universiteit Twente)

‘Een wortelkanaal schoontrillen’



finalisten

Simon Stevin Gezel 2013






Nienke Bosschaart onderzocht een

optische methode om geelzucht bij

baby’s vast te stellen

finalist

Technologisch toptalent 2013


De hielprik dient om geelzucht bij te vroeg geboren

baby’s te diagnosticeren. Daarbij wordt de baby

soms wel drie keer per dag geprikt om bloed af te

nemen en naar het laboratorium te sturen. Doel van

het onderzoek van Nienke Bosschaart was om een

niet-invasieve manier te ontwikkelen in plaats van

die belastende hielprik. Bosschaart: “Is het mogelijk

om met een optische methode bilurbine, de stof die

de huid geel kleurt, te meten?”


Nienke Bosschaart (1984) studeerde na het

afronden van het gymnasium Biomedische

Technologie aan de Universiteit Twente.

Ze studeerde af op een combinatie van twee

technieken waarmee huidkanker optisch

gediagnosticeerd kan worden.

Bij het promotieonderzoek aan het Academisch

Medisch Centrum van de Universiteit van

Amsterdam, afdeling Biomedical Engineering

and Physics, ging het om de vraag of het mogelijk

is bij te vroeg geboren baby’s geelzucht vast te

stellen op basis van de interactie van licht met

de huid. Voor dit onderzoek was Bosschaart de

perfecte kandidaat.

Na een inleesperiode bleek dat er twee veel-

belovende technieken in aanmerking komen

om geelzucht op een niet-invasieve manier te

diagnosticeren. Beide zijn gebaseerd op spectro-

scopie, het uiteenpluizen van licht in verschil-

lende samenstellende kleuren. Het was niet

bekend welke techniek tot betere resultaten

zou leiden. Bosschaart: “Dus besloot ik om

twee onderzoekspaden parallel te bewandelen.

In het eerste pad ontwikkelde ik een nieuwe

spectroscopische techniek, waarvoor het globale

idee hier in de vakgroep was bedacht, maar

waarvan de werking nog nooit in de praktijk

was aangetoond. In het tweede pad ging ik

kijken naar een technologie op basis van een

meerkanaals spectrograaf, een instrument dat

licht op vier vaste detectieafstanden in de huid

analyseert. Daar was al meer onderzoek naar

gedaan, en het grote voordeel was dat het

apparaat snel te ontwikkelen was, waardoor

we ermee de kliniek in konden om aan echte

baby te meten.”

Spectroscopische technieken

Het idee om met optische spectroscopie de

waarde van bilirubine in het bloed te meten

bestaat al sinds de jaren tachtig. Maar tot dusver

zijn alle technieken te onnauwkeurig gebleken

om de hielprik te vervangen. Die technieken

maten hoeveel licht met een golflengte van

circa 460 nm (de ‘gele kleur’) in de huid wordt

geabsorbeerd, om vervolgens deze waarde te

relateren aan de bilirubinewaarde in het bloed.

Bosschaarts eerste onderzoeksvraag: kijken

waarom de onnauwkeurigheid van deze methode

zo hardnekkig is.

Ze vond, dankzij haar parallelle onderzoeksweg,

als antwoord dat de bestaande technieken

vooral bilirubine rondom de bloedvaatjes in de

huid meten. Uit het meten aan echte baby’s

bleek, dat maar één procent van de met een

spectroscoop gemeten bilirubine in de bloed-

vaatjes zelf zit. Deze conclusie leverde een

belangrijke publicatie op. Want bestaande

spectroscopen kunnen geen onderscheid maken

tussen licht dat vanuit de huid en licht dat vanuit

het bloed terugkomt. Er is ook geen nauwkeurige

manier om de bilirubineconcentratie in de huid

te relateren aan die in het het bloed. Zo ontstaat

er onvermijdelijk een grote onnauwkeurigheid.

Hier zou het eerste onderzoekspad van

Bosschaart naar een oplossing moeten leiden.

De nieuwe spectroscopische techniek – de

zogenoemde laagcoherente spectroscopie (LCS)

– meet niet alleen de verstrooiing en absorptie

van licht in het weefsel, maar kan ook heel

nauwkeurig de grootte en locatie van het

spectroscopische meetvolume regelen. Dit

gebeurt met behulp van laagcoherente inter-

ferometrie: hierbij interfereren alleen fotonen die

van een bepaalde diepte in het weefsel komen

met fotonen die een gecontroleerd referentiepad

buiten het weefsel hebben afgelegd.

Bosschaart: “Je kunt het instrument op de

micrometer nauwkeurig instellen op een




stukje weefsel. Dat betekent dat we iets heel

bijzonders kunnen doen: we kunnen met het

instrument precies de lichtabsorptie meten die

binnenin een bloedvaatje in de huid plaatsvindt.

Vervolgens kunnen we die lichtabsorptie relate-

ren aan de bilirubineconcentratie in het bloed.”

Addertjes onder het gras

Het opzetten van een werkende meetopstelling

kostte ruim twee jaar. Bosschaart: “Er zitten een

heleboel addertjes onder het gras. Het moeilijke

is dat we met een breed lichtspectrum werken.

Dan moet je kijken hoe lange en korte golf-

lengtes op verschillende manieren door lenzen

worden afgebogen. Je krijgt te maken met allerlei

optische verstoringen, die voor elke frequentie

van het licht anders zijn.”

Om te weten hoeveel licht door de absorptie van

bilirubine in het weefsel verloren gaat, bleek het

nodig om een analysemodel te maken, waarin de

optische absorptie- en verstrooiingscoëfficiënten

voor verschillende materialen zijn verdisconteerd.

Het kostte veel tijd om het model te valideren

met metingen aan materialen waarvan de opti-

sche eigenschappen goed bekend zijn, en dan

te vergelijken met metingen aan echt weefsel.

Bosschaart: “Ik herinner me nog goed het

moment waarbij het eindelijk lukte om de licht-

absorptie precies in één bloedvat in mijn eigen

vinger te meten. Dat was een echte doorbraak!”

Om de tweede techniek, de optical multichannel

analyser, te onderzoeken, moest Bosschaart

de kliniek in. “Dit was een heel leuk onderdeel

van mijn onderzoek. Ik vind het fijn om te zien

waarvoor je wetenschappelijk bezig bent.”

Gemeten werd op het voorhoofd, borstbeen,

hand en voet van baby’s, en het resultaat was

een grote verzameling meetgegevens. Die

werden vergeleken met de bloeduitslagen van

de hielprik. Bosschaart: “We hoopten met dit

instrument nauwkeuriger bilirubine te kunnen

meten dan met bestaande optische apparaten –

maar dat bleek helaas niet zo te zijn.”

Wel volgde een nieuwe publicatie: het bleek

voor het eerst te zijn dat iemand de optische

eigenschappen van heel veel babyhuidjes

nauwkeurig had gemeten. Bosschaart: “Dat is

belangrijke kennis, die andere onderzoekers

kunnen gebruiken, bijvoorbeeld voor het ont-

wikkelen van nieuwe spectroscopische tech-

nieken. Ook konden we mooi laten zien hoe bij

baby’s met een sterke pigmentering de huid in de

weken na de geboorte steeds donkerder kleurt.

Dit soort kennis gebruiken we ook zelf voor

de verdere ontwikkeling van de laagcoherente

spectroscopie.”

Detectiesnelheid verkleinen

Inmiddels werkt Bosschaart als postdoc in

het Academisch Medisch Centrum. Ze is onder

andere bezig de LCS-spectroscoop verder te

ontwikkelen. Bosschaart: “Nu is het nog zo dat

de opstelling van de apparatuur tot een lange

meettijd leidt. Dat moet terug naar hooguit een

minuut. En het ideaal is natuurlijk dat de meting

in een seconde klaar is, want een baby ligt niet

stil.” De detectiesnelheid verkleinen heeft nog

heel wat voeten in de aarde. “Ik verwacht dat

het nog zeker drie jaar duurt voordat we zover

zijn dat er een apparaat mee de kliniek in kan.

Maar ik ben ervan overtuigd dat niet-invasieve

bilirubinemetingen alleen kunnen werken als

je echt de lichtabsorptie precies binnen in een

bloedvat kunt meten. Want we hebben aan-

getoond dat het vaatvolume in het gangbare

spectroscopische meetvolume maar rond de

één procent ligt. Dit geeft echt de noodzaak

van dit onderzoek aan. Het mooie vind ik ook,

dat mijn onderzoek tot nieuwe inzichten heeft

geleid voor de klinische praktijk van de diagnose

van geelzucht bij baby’s.”



Scherper onder de grond kijken met

virtuele geluidsbronnen

finalist



Voor ze proefboringen doen, onderzoeken olie-

maatschappijen de kans van slagen met seismische

methoden: ontploffingen of vibraties aan het oppervlak

sturen trillingen, geluidsgolven dus, naar beneden.

Die methoden zijn echter nogal eens onnauwkeurig.

Joost van der Neut ging op zoek naar een verfijndere,

virtuele methode om naar olie te speuren.


Als jongen was Joost van der Neut (Groningen,

1980) gegrepen door de wereld van de stenen.

Maar zoals dat vaker gaat in de liefde, werd die

eerste fascinatie verdrongen door een grotere:

de wiskunde. “Ik was gegrepen door dingen als

vulkanen, de beweging van de continenten.

Aanvankelijk ging ik vanwege die belangstelling

in Delft technische aardwetenschappen stude-

ren. Maar achteraf was dat dus niet helemaal

mijn richting. Het ging allemaal over een veel

kleinere schaal: sedimentologie, mineralogie.

Geleidelijk aan ben ik afgedwaald naar de meest

wis- en natuurkundige richting in de aardweten-

schappen: de geofysica.”

Dat klinkt alsof het hem niet veel zou kunnen

schelen als hij moeilijke sommen moest oplossen

over een heel ander onderwerp. Dat is ook wel

een beetje zo: “Ik zou kunnen overstappen, maar

het leuke aan dit vakgebied is, dat het zo inter-

nationaal georganiseerd is, onder andere doordat

je samenwerkt met de olie-industrie.”

In zijn proefschrift bij de vakgroep Toegepaste

Geofysica en Petrofysica ontwikkelde Van der

Neut een methode om beter onder de grond naar

olie- en gasvoorraden te kunnen speuren. Voor

ze proefboringen doen, onderzoeken oliemaat-

schappijen de kans van slagen met seismische

methoden: ontploffingen of vibraties aan het

oppervlak sturen trillingen, geluidsgolven dus,

naar beneden. Als zich daar perfect homogeen

gesteente zou bevinden, hoorde je er nooit

meer iets van. Maar elke afwijking, zoals een

overgang van de ene steensoort naar de andere

of van massief naar poreus, of een breukvlak,

verstoort het geluid en verandert het van

richting. Die plek wordt in feite zelf een geluids-

bron, en een deel van het geluid gaat terug naar

boven: een echo.

“Je probeert dat geluid op te vangen met geo-

foons, en onder water met hydrofoons”, legt

Van der Neut uit. “Door honderden van die

ontvangers in te zetten, probeer je een afbeel-

ding van de ondergrond te krijgen. Het probleem

daarbij is, dat de ondergrond complex in elkaar

zit. Juist in het Midden-Oosten zie je heel veel dat

juist het hele bovenste deel complex is, met grote

contrasten in verticale en horizontale richting.”

Storende reflecties zijn al erg genoeg, maar er

zijn in de ondergrond ook grote variaties in

de stijfheid en de dichtheid van de steen.

Daarmee varieert ook de snelheid, en als je daar

geen rekening mee houdt, is het beeld dat door

de geluidsontvangers wordt samengesteld,

vervormd. Maar je kunt er pas rekening mee

houden als je een idee hebt van wat zich in de

ondergrond bevindt, en dat moet je toch op een

of andere manier weer uit het beeld halen. Van

der Neut: “Je doet die twee dingen vaak dan ook

allebei, in een iteratief proces.”

Virtuele geluidsbronnen

”Een oplossing zou het dieper aanbrengen van

de geluidsbron kunnen zijn: iets laten ontploffen

in een boorgat onder de storende lagen. Maar

dat is duur, en destructief”, zegt Van der Neut,

“en je krijgt dan vaak ook niet het goede soort

geluidsgolven.” Met wiskundige technieken die

hij ontwikkelde kun je echter iets doen dat er

sterk op lijkt: een aantal niet werkelijk bestaande,

virtuele geluidsbronnen in de ondergrond aan-

brengen.

Dat wordt mogelijk door ontvangers in boor-

gaten te plaatsen. Want wiskundig gezien is een

ontvanger waar een geluidsgolf langskomt en

daarna verder trekt, vanaf dat moment te be-

schouwen als een zender. Diezelfde ontvanger,

of een andere, kan de geluidsgolf na reflectie in

diepere lagen weer opvangen en kijken hoe lang




hij onderweg is geweest, net zoals een boven-

grondse ontvanger dat doet. Maar ondertussen

werk je dus wel met een virtuele zender die mooi

diep onder de storende lagen in de ondergrond

bezig is.

In de praktijk zijn er natuurlijk nog allerlei proble-

men die zo’n elegant idee onwerkbaar dreigen

te maken. De storende bovengrond is immers niet

echt verdwenen, die zorgt ervoor dat het geluid

niet netjes vanuit één richting bij de ontvangers

aankomt, maar door elkaar gehusseld, vanuit

allerlei richtingen ernaartoe gereflecteerd – en

daardoor vertrekt het dus ook niet gelijkmatig

vanuit elke ontvanger in dezelfde richting naar

de te onderzoeken laag.

De uitdaging om uit de gegevens die al die

ontvangers omhoog sturen toch te destilleren

hoe de ondergrond eruitziet, is de kern van het

proefschrift van Van der Neut. “Ik neem alle

ontvangers samen, als een array. Ik weet alles

wat omlaag gaat, en dat moet gerelateerd zijn

aan alles wat omhoog komt.”

De meest voor de hand liggende manier om

de signalen rekenkundig te verwerken, heet

‘kruiscorrelatie’. Daarbij zoek je naar geluids-

golven die op elkaar lijken, wat het waar-

schijnlijker maakt dat de ene geluidsgolf een

weerkaatste versie is van de andere. Maar die

berekening is vooral geschikt voor een redelijk

onverstoorde bundel geluidsgolven die vanuit

elke ‘virtuele zender’ in dezelfde richting vertrekt.

Zijn die verstoringen er wel, dan is het net

alsof een bron niet vanuit één punt heeft

uitgezonden, maar bijvoorbeeld tien meter breed

is. Van der Neut: “De virtuele bronnen raken

ontfocust”.

Als alternatief paste hij daarom een ander

wiskundig gereedschap, toe, multidimensionale

deconvolutie. “Daarmee kunnen we virtuele

bronnen beter focusseren, het worden scherpere

bronnen, puntbronnen.”

Wiskundige gereedschapskist

En de wiskundige gereedschapskist is daarmee

nog niet uitgeput. Als postdoc is Van der Neut

nu bezig met een spectaculaire volgende stap:

het weer terughalen van de ontvangers naar

de oppervlakte, maar dan de gegevens die ze

oppikken zo analyseren dat je weet wat een

ontvanger in de ondergrond zou horen. Daar-

mee creëer je dus virtuele ontvangers onder de

grond, en die kunnen dan ook weer dienen als

de virtuele bronnen uit het proefschrift. In feite

is dan gelukt waar elke seismoloog van droomt:

zonder graven dwars door een storende laag

heen kijken om te zien wat eronder zit.

“Dat is wat me na mijn promotie in Delft hield”,

zegt Van der Neut. “We zijn er nu ongeveer

twee jaar mee in de weer. We zien wel waar

het schip strandt, tot nu toe loopt het als een

trein. Met simulaties zijn we aan het kijken waar

het allemaal werkt. Over een half jaar gaan we

met echte data aan de slag.”



Dankzij nieuwe ultrasone techniek meer

geslaagde wortelkanaalbehandelingen

finalist



Tandartsen voeren routinematig behandelingen aan

wortelkanalen uit. Maar meer dan veertig procent

daarvan mislukt. Het doel van het promotieonderzoek

van Bram Verhaagen was om precies de problemen

en de werking van de verschillende schoonmaaktech-

nieken in kaart te brengen, om zo tot een verbeterde

methode te komen.


Bram Verhaagen (1985) studeerde aan de

Universiteit Twente af op de natuurkunde van

vloeistoffen. Na stages bij onder meer Philips,

waarbij hij de geneesmiddelafgifte uit micro-

capsules met behulp van echoscopie onderzocht,

rolde hij “eigenlijk vanzelf” in een promotie-

onderzoek dat ook met geneeskunde te maken

heeft: het onderzoeken van de stroming van

vloeistoffen tijdens een wortelkanaalbehande-

ling door de tandarts. De vraag was ontstaan

vanuit het Academisch Centrum Tandheelkunde

Amsterdam (ACTA).

De eerste stap was, om te kijken wat er gebeurt

als de tandarts met een spuit en naald een

antibacteriële vloeistof in een wortelkanaal spuit.

Het doel van deze spoelmethode is om de laag

bacteriën die op de binnenkant van een wortel-

kanaalwand is gegroeid, de zogeheten “biofilm”,

weg te spoelen.

Om dit proces zichtbaar te maken, werd een

doorzichtig model van het wortelkanaal gemaakt.

Ook moest een soort gel worden gemaakt, die

als model dienst kon doen voor de biofilm – die

film bestaat in werkelijkheid uit een kleverig

laagje met honderden verschillende soorten

bacteriën. Daarna filmde Verhaagen met een

hogesnelheidscamera de vloeistof die in het

wortelkanaal werd gespoten. Hij had tal van

vragen over dat proces. Wat is de invloed van

verschillende soorten naalden? Hoe bepaalt de

grootte van het wortelkanaal de uitkomst? Maakt

het uit, waar je de spuit plaatst in het kanaal?

Door aan de spuitvloeistof microscopisch kleine

deeltjes toe te voegen, lukte het om met de

hogesnelheidscamera filmopnamen te maken

van de vloeistofsnelheid, het afgelegde traject,

en processen zoals belletjesvorming en hun

reinigende werking. Een Griekse promovendus

kwam een jaar langs om zijn computermodel van

deze wortelkanaalbehandelmethode te valide-

ren aan de hand van de precieze metingen van

Verhaagen. Voor deze spoelmethode was nu een

goed referentiemodel beschikbaar.

Slow motion

Het lukte al snel om de beschrijving van de

eerste filmopnamen in een vaktijdschrift voor

tandartsen te publiceren. “Kennelijk vinden

tandartsen het heel interessant om te zien

hoe hun behandelingen in slow motion werken,

want het artikel werd vaak geciteerd.”

Verhaagen besteedde daarna ongeveer een

jaar om het theoretische werk achter de film-

opnamen te bestuderen. Hij beschreef wiskundig

hoe de vloeistofdynamica tijdens een wortel-

behandeling eruitziet, en valideerde de formules

met de filmopnames.

Daarna ging hij, samen met enkele promovendi

van ACTA, kijken naar wat er bij een wortel-

kanaalbehandeling gebeurt als de tandarts het

wortelkanaal niet met een spuit en naald, maar

met een ultrasoon apparaat schoonmaakt: een

instrument waarmee een metalen naaldje in

het wortelkanaal wordt geschoven, waarna het

ultrasoon gaat trillen (rond de 30.000 hertz).

De trillingen van dit naaldje – ook wel “vijl”

genoemd – zorgen voor actievere stromingen in

de vloeistof die in het wortelkanaal is gespoten,

die vervolgens de biofilm verwijderen. Deze

behandelmethode had al in veel tests bewezen

heel effectief te reinigen, maar het was nog niet

duidelijk hóe dit precies werkte.

Ook hier ging Verhaagen eerst met de hoge-

snelheidscamera precies de vloeistofdynamica

meten. Het blijkt dat de effectiviteit van de

methode afhangt van het materiaal en de vorm

van de vijl, maar ook van de frequentie en de am-

plitude waarmee deze vijl heen en weer zwiept.




In het derde jaar ging Verhaagen in een labora-

torium in Birmingham de bewegingen van de vijl

nog eens met een speciaal instrument opmeten.

Het ging om een laservibrometer: een instrument

dat een laserbundel op het trillende vijltje stuurt,

en dan zeer precies de bewegingen daarvan

kan opmeten. Verhaagen: “Die informatie hebben

we nodig om stromingsmodellen op te stellen.

Je wilt precies weten hoe in het naaldje een

staande golf onstaat: een regelmatig patroon

van punten die stilstaan, de knopen, en punten

die maximale uitslag vertonen, de buiken. En

dat voor de verschillende soorten vijlen. Bij de

berekeningen van de stroming daarna heb ik

eigenlijk nergens echt vastgezeten – het bleek

allemaal goed te beschrijven met de al bestaan-

de formules uit de stromingsleer.”

Het numerieke model van de trillende vijlen bleek

een mooi praktisch resultaat te hebben: als de

materiaaleigenschappen en de geometrie van

de vijl goed bekend zijn, kun je precies uitrekenen

wat er gebeurt als de vijl in contact komt met de

wand van het wortelkanaal. Ook blijkt goed te

voorspellen wanneer een vijl gaat afbreken, door

te kijken naar de buigpunten.

In de praktijk

Als postdoc werkt Verhaagen nu aan de toepas-

sing van de theorie. Samen met de fabrikanten

die zijn onderzoek hebben ondersteund, wordt nu

gekeken welke resultaten in de praktijk bruikbaar

zijn. Een van de interessante opgaven is om niet

alleen naar het hoofdkanaal te kijken, maar ook

naar de vertakkingen, waar ook bacteriën kunnen

zitten en die veel moeilijker te reinigen zijn.

Samen met een collega is Verhaagen daarnaast

bezig om een nieuw bedrijf op te zetten. Het

idee is om een nieuwe schoonmaaktechniek

commercieel aan te bieden. Die techniek werkt

met belletjes, die gecontroleerd kunnen worden

ingezet voor het schoonmaken. Verhaagen:

“We hebben hiervoor een Valorisation Grant van

STW gekregen, en in de eerste fase gaan we

kijken welke toepassingen er zijn. En dan niet

alleen binnen de tandheelkunde: we kijken ook

naar andere soorten industriële toepassingen

waar bacteriën of andere aankoekingen een

probleem zijn. Ik vind het enorm spannend om te

zien of het gaat lukken om producten te maken

op basis van de kennis uit ons promotieonder-

zoek. Tijdens een promotie hoef je niet zoveel

commerciële vaardigheden te hebben, maar die

zijn nu hard nodig!”



Overige kandidaten

dr.ir. Rik Hansen

dr.ir. Lars Beex


dr.ir. Kundan Kumar


dr. Daniele Ragni

dr. Hemant Sharma


Kun je met echografie

beroertes voorspellen?

Rik Hansen op zoek naar

gevaarlijke plaques

kandidaat


dr.ir. Rik Hansen


Plaques zijn afzettingen van vet en ander weef-

sel op de wand van een slagader, die afhankelijk

van hun eigenschappen relatief veilig of zeer ge-

vaarlijk kunnen zijn. Kun je van buitenaf bepalen,

hoe gevaarlijk een plaque is? Rik Hansen onder-

zocht hoe je dit met echografie kunt bepalen.

Wetenschap is interessant, maar het moet wel

over tastbare dingen gaan, vindt Rik Hansen

(1982, Roermond). Daarom koos hij in 2000

voor de studie technische natuurkunde aan de

TU Eindhoven. Tijdens die studie raakte hij al

snel gefascineerd door medische techniek. Hij

was blij dat er een afstudeerrichting ‘klinische

fysica’ bleek te bestaan. “Daarna wilde ik verder

in de medisch-technische hoek. Want ik vind het

belangrijk dat mijn methoden, mijn technieken,

direct mensen kunnen helpen, dat is altijd mijn

drijfveer geweest.”

Wat hem ook beviel aan de medische wereld was,

dat de zekerheden uit de exacte wetenschap-

pen daar in de praktijk niet verkrijgbaar waren:

“Het is natuurlijk heel complex zoals de mens in

elkaar zit. In de natuurkunde is het zus, of zo. In

de medische wereld zit daar echter een heel grijs

gebied tussen.”

Dat geldt zeker ook voor het onderwerp waar

Hansen op promoveerde, aan de Radboud

Universiteit Nijmegen: het detecteren van insta-

biele plaques in de halsslagader door middel van

echografie. Plaques zijn afzettingen van vet en

ander weefsel op de wand van een slagader, die

afhankelijk van hun eigenschappen relatief veilig

of zeer gevaarlijk kunnen zijn. Je hebt instabiele

plaques, die bestaan uit een dun kapje met

daaronder een soort ontsteking, die voorname-

lijk zacht vetachtig materiaal bevat, en stabiele

plaques, die bestaan uit een dikkere, stugge

deklaag waar weinig ander materiaal onder zit.

De instabiele plaques kunnen openbarsten, wat

tot verstopping van een bloedvat kan leiden,

met als mogelijk gevolg een beroerte. Vaak komt

dat volledig onverwacht, omdat de patiënt wel

plaques had, maar nog geen grote vernauwing

van de slagader.

Je kunt de soort plaque bepalen door te kijken

hoe de vaatwand vervormt terwijl het hart er

bloed doorheen pompt. Hansen: “Er bestonden

al methoden om die vervormingen te meten

op basis van echografie met behulp van een

katheter. De techniek die ik tijdens mijn promotie

heb ontwikkeld, is de eerste die het mogelijk

maakt om de vervormingen in een dwarsdoor-

snede van de slagader, van buitenaf nauwkeurig

te meten met echo.” Dat ‘van buitenaf’ is een

belangrijke vooruitgang. Want alleen met een

‘niet-invasieve’ methode kun je preventief en

grootschalig onderzoek doen.

Echo’s onder hoeken

De manier om dat te doen, is op het eerste

gezicht voor de hand liggend, maar daarmee

technisch nog niet eenvoudig uit te voeren.

Hansen: “Normaal maak je een echo onder een

hoek van nul graden: het geluid gaat loodrecht

ten opzichte van de echokop het lichaam in.

Dan krijg je het beste beeld. Maar het betekent

ook dat je alleen in die richting heel goed de

vervorming kunt schatten.”

Als je vanuit een katheter kijkt, heb je dat

probleem niet: vanuit het midden van de slagader

kijk je in alle richtingen loodrecht op de ader-

wand. Van buitenaf zijn er echter slechts twee

stukjes wand die loodrecht op de echokop staan,

de voor- en achterkant. Terwijl je pas weet

hoe (in-)stabiel de plaque is, wanneer je de

vervorming over de hele omtrek kent. Om die

vervorming over de hele omtrek te kunnen bepa-

len, maakte Hansen gebruik van echokoppen die

hun geluid ook onder hoeken, opzij dus, kunnen


sturen. Dan gaat het geluid in een andere richting

door de slagader, wat dus informatie geeft over

andere plekken op de wand. Combinatie van een

aantal van die echo’s onder hoeken gaf na flink

wat rekenwerk de gewenste eigenschappen prijs.

“De start van het onderzoek ging heel voort-

varend”, vertelt Hansen. “Mijn promotor is

gepromoveerd op het meten van vervormingen

in slagaders met een katheter, en eigenlijk heb

ik ongeveer hetzelfde traject doorlopen. Eerst

ging ik de situatie nabootsen met de computer,

waarbij ik echo’s van bloedvaten in verschillende

vervormingstoestanden simuleerde. Daarop kon

ik dan mijn eerste rekenmethodes ontwikkelen.”

Daarna volgden namaakbloedvaten, en toen

was het tijd voor proeven in de kliniek. “Maar

daarvoor heb je dus wel een echo-apparaat nodig

dat de beelden opneemt onder verschillende

hoeken. We zochten een firma die dat voor ons

wilde inbouwen. En vanaf het begin hadden we

daarvoor een goede samenwerking met Philips

Medical Systems. Echter, toen de crisis kwam,

ging het hele verhaal niet meer door.”

Moeilijk moment

Dat was een moeilijk moment tijdens het onder-

zoek. “Wij wilden onder redelijk grote hoeken van

ongeveer dertig graden kijken. Dat had Philips al

voor ons ingebouwd in een echo-apparaat, maar

je moest handmatig de hoeken instellen. Terwijl

je, als je een bewegend bloedvat wilt meten, dat

eigenlijk automatisch wilt laten gebeuren. Toen

hebben we als tussenoplossing bedacht om in

overleden personen te gaan meten. Want dan

staat het weefsel stil.”

Om de vervorming tijdens een hartslag te

simuleren, werden in samenwerking met een

patholoog-anatoom halsslagaders afgebonden

en afwisselend met meer en minder vloeistof

gevuld, zodat in heel laag tempo een hartslag

kon worden gesimuleerd. “We dachten: nu heb-

ben we een mooie studie, maar uiteindelijk is

daar niks uitgekomen, want bij het prepareren is

waarschijnlijk toch de binnenwand zo beschadigd

dat het materiaal eruit gespoeld werd als we er

druk op zetten. Er was in ieder geval geen plaque

meer aanwezig in de gemeten bloedvaten.”

Ondertussen was een andere fabrikant, Samsung

Medison, bereid gevonden de gewenste automa-

tische besturing van de echokop te implemente-

ren. “Ze bouwden de techniek in twee apparaten

in, en daarmee hebben we in Utrecht gemeten,

bij patiënten die voor 90 procent vernauwing

hadden, dus die sowieso geopereerd moesten

worden en waarbij de plaque verwijderd werd.

Dat gaf de mogelijkheid om na onze meting te

kijken wat voor materiaal zich daadwerkelijk in de

slagader bevond, en of de plaque een gevaarlijke

samenstelling had, of een stabiele. Daarbij von-

den we een mooie correlatie tussen de gemeten

vervormingen en de plaquesamenstelling.”

Plaatjes schieten

Bij het ontwikkelen van het systeem slaagde

Hansen erin een aantal technische problemen

op te lossen. Zo moest hij de storende reflecties

wegfilteren van de ‘zijlobben’ die een schuin

uitgezonden bundel ultrageluid altijd heeft.

Maar een ander probleem is inherent aan zijn

methode: hij stuurt de bundel achtereenvolgens

onder verschillende hoeken de slagader in. Dat

is dus geen echte momentopname.

“Daarom ben ik vervolgens ook bezig geweest

met plane wave imaging. Dan zend je geen

smalle bundel uit, maar een golf vanaf de hele

breedte van je echokop. Dat geeft reflecties

vanuit allerlei richtingen, en daar ga je vervol-

gens weer een echobeeld van reconstrueren.

Zo kun je veel sneller plaatjes maken, omdat


je maar één keer hoeft te schieten voor een

afbeelding van het volledige vat in plaats van

per beeldlijn met de smalle bundel.” Dat onder-

deel van zijn proefschrift geeft Hansen nu een

vervolg als postdoc in het UMC St. Radboud.

Met slimme rekenmethoden probeert hij die

aanpak zodanig te verfijnen dat de beeldkwali-

teit zich kan meten met die van smalle bundels

ultrageluid.

Het plan om in die richting te gaan werken, is

pas in de loop van zijn promotieonderzoek

ontstaan, om een simpele reden: “In die periode

is de rekenkracht van computers enorm vooruit-

gegaan, waardoor het nu pas mogelijk is om de

beelden volledig te reconstrueren, in real time.

We kunnen nu 100 keer zo snel plaatjes maken.

En hoe we die extra informatie gaan gebruiken

om betere diagnoses te stellen, dat is de grote

vraag voor de toekomst.”


Puzzelen met vezels

Lars Beex’ zoektocht naar een

wiskundig model voor het gedrag

van weefsel

kandidaat


dr.ir. Lars Beex


Als het gedrag van de textielvezels wiskun-

dig valt te modelleren, dan is het mogelijk om

bijvoorbeeld de breuk van individuele vezels en

bindingen te berekenen. En daarmee is beter te

voorspellen wanneer stof zal scheuren of breken.

Lars Beex onderzocht wat er precies gebeurt

met de eigenschappen van weefsel waar bijvoor-

beeld elektronische sensoren zijn ingeweven.

Lars Beex (1984) studeerde zowel voor zijn

bachelor als zijn master cum laude af in de

groep van mechanica van materialen, aan de

Technische Universiteit Eindhoven. Tijdens zijn

afstuderen had hij zich beziggehouden met

wiskundige modellen die de mechanische

eigenschappen van karton kunnen beschrijven.

Beex: “Met deze kennis kun je praktische dingen

doen, zoals uitrekenen wanneer een stuk

karton breekt. Ik heb daarom kort overwogen

of ik het bedrijfsleven in zou gaan. Maar het

intellectueel puzzelen leek mij aan de universiteit

op een meer abstract niveau mogelijk en dat

interesseerde mij het meest.”

Er kwam een promotieplek vrij waarin Beex

verder zou kunnen werken aan het onderwerp

van zijn afstuderen. Nu was het doel om vezel-

materialen meer in het algemeen – naast karton

ook textiel – te bestuderen. Het onderzoek was

met name gericht op het beschrijven wat er

gebeurt met de eigenschappen van een weefsel

als je er bijvoorbeeld sensoren inweeft. Aan het

begin van het onderzoek was niet duidelijk hoe

textielvezels goed te modelleren zijn. Beex: “Het

idee was dat we korte rekentijden met een hoge

nauwkeurigheid kunnen combineren als we de

vezels van het materiaal tot op zeker hoogte

gelijkstellen aan de verbindingen in roosters met

atomen. Voor atoomroosters bestaat een heel

goede methode om materiaaleigenschappen te

modelleren: de quasicontinue methode.”

De quasicontinue methode geeft in een bepaald

soort materiaal een atomistische benadering

voor het simuleren van de mechanische eigen-

schappen. De interpolatie gebeurt op basis van

natuurkundige grootheden van de elementaire

deeltjes die zij op een bepaalde plaats in het

rooster delen met hun buren. Deze benaderingen

voeren met een fractie van de rekenkundige

inspanning toch tot nauwkeurige benaderingen.

Beex: “Dit was voor iedereen nieuw terrein:

niemand wist of het zou lukken om een methode

voor atoomroosters voor vezelnetwerken te

gebruiken. Textielvezels gedragen zich heel

anders dan elementaire deeltjes. Het zijn een

soort veertjes, die bepaalde natuurkundige

eigenschappen hebben die je in elementaire

deeltjes zo niet tegenkomt, zoals het verliezen

van energie.”

Rekenintensief

Na de eerste eenvoudige tests bleek het inder-

daad mogelijk om de quasicontinue methode

uit de natuurkundige context te lichten, en voor

mesoscopische vezelstructuren aan te passen.

Problematisch was dat de roosterberekeningen

die voor iedere vezel een aantal natuurkundige

vergelijkingen moeten oplossen, rekeninten-

sief zijn. Om het totale model door te rekenen,

moeten eerst de natuurkundige eigenschappen

van de individuele punten in het rooster worden

berekend, om vervolgens de interactie met alle

naastgelegen punten te berekenen.

Beex: “Het mooie van de quasicontinue methode

is, dat je in gebieden waar mechanisch gezien

niet zo veel gebeurt de eigenschappen van een

aantal vezels interpoleert. Er ontstaat in het

model dan een driehoek, waarbij de eigenschap-

pen van de individuele vezels binnen die driehoek

worden beschouwd als de eigenschappen van

één punt, midden in die driehoek. Zijn er gebie-


den waarin mechanisch veel gebeurt, dan kun je

de driehoeken zo klein maken dat ze het gedrag

van individuele vezels beschrijven.”

Het zoeken naar de juiste methode om de

mesoscopische eigenschappen van vezels te

beschrijven op een manier die tot dan toe

alleen was gebruikt voor het beschrijven van

atomaire deeltjes, duurde al met al enkele

jaren. Die tijd beschrijft Beex nu als een lange

leesperiode. Daarbij stond naast natuurkundige

literatuur, met name over thermodynamica,

ook veel wiskunde op het leesprogramma.

Beex: “Ik moest de nodige kennis uit uiteen-

lopende soorten literatuur halen – ieder vak-

gebied met zijn eigen jargon. Achteraf gezien

zou je zeggen dat ik in deze fase meer het

contact met andere wetenschappers had kunnen

zoeken. Maar ik ben blij dat ik het bij literatuur

heb gehouden. Als je met mensen praat, krijg je

ook allerlei meningen mee, en daardoor word je

misschien beïnvloed in een bepaalde richting

die niet goed is voor je eigen onderzoek.”

Lees- en denkfase

Na de lees- en denkfase bestudeerde Beex

eerst de modellen in de computer. Hij keek hoe

textiel reageert op elektrische componenten,

zoals in het vezelnetwerk ingeweven medische

sensoren. Elektronische componenten zijn een

stuk stijver dan textiel, zodat het op de contact-

punten gemakkelijk kan scheuren of breken.

Beex: “In onze berekeningen hebben we kunnen

laten zien dat dit inderdaad rondom de compo-

nenten gebeurt. In dit geval kun je dat intuïtief

aanvoelen, maar je hebt ook situaties waar

je het gedrag van weefsel niet precies kunt

voorspellen zonder een goed model, bijvoorbeeld

als je elektrisch geleidende draden in textiel-

weefsel meegeeft. Er ontstaan dan stijfheids-

verschillen tussen het elastische textielweefsel

en de minder elastische elektrische geleider.”

Inmiddels is Beex assistant-professor aan de

universiteit van Cardiff, Wales, aan het Institute

of Mechanics and Advanced Materials. Beex:

“Ik ben nu nog de enige die hier werkt met de

quasicontinue methode. Een ideaal onderwerp

voor verder onderzoek zou zijn om te laten

zien dat je deze methode voor allerlei soorten

materialen kunt gebruiken, bijvoorbeeld ook voor

bindweefsel in het lichaam. Om daar een goed

model voor op te stellen, moet je biotechnische

kennis in huis halen – ik verwacht dat ik naast

mijn lesgevende taken ook voor dit soort onder-

zoek de komende jaren tijd zal hebben.”



De chirurg

onder de loep

Loubna Bouarfa onderzoekt

met video-opnamen hoe operaties

veiliger kunnen

kandidaat




In Nederland overlijden ieder jaar 1700

patiënten vanwege te vermijden fouten in

de operatiekamer. Die medische missers

probeert men in te dammen door het gebruik

van protocollen en checklisten. De mogelijk-

heden van moderne automatiseringstechnologie

worden in de operatiezaal bijna niet gebruikt.

Loubna Bouarfa: “Voor mij waren checklisten

iets onvoorstelbaar primitiefs. Ik dacht: het

moet toch mogelijk zijn om anno 2013 daarvoor

automatische systemen te ontwikkelen!”

Nadat Loubna Bouarfa (geboren in Marokko,

1983) van de middelbare school kwam in

haar woonplaats Meknès in Marokko, werd ze

toegelaten tot de studie elektrotechniek aan de

TU Delft. Ze begon haar studie als 17-jarige in

een vreemd land, zonder Nederlands te spreken.

Bouarfa: “Ik werd enorm ondersteund door mijn

familie. Het was echt een heel avontuur voor mij.”

Ze studeerde binnen zes jaar af bij de vakgroep

Media Knowledge Engineering. Nog in het

afstudeerjaar ging ze langs bij de TU bedrijfs-

dagen, en ontdekte een interessante promotie-

plek bij de faculteit werktuigbouwkunde: het

bestuderen van de werkwijze in een operatie-

kamer. Het doel: een systeem te ontwikkelen

dat zou kunnen helpen om fouten in de operatie-

kamer te vermijden. Omdat automatische analyse

van videobeelden onderdeel uitmaakte van deze

opdracht, leek dat heel goed aan te sluiten bij

haar afstudeeropdracht.

Bouarfa: “In mijn master had ik video-finger-

printing bestudeerd. Je past daarbij bepaalde

algoritmes op bewegende videobeelden toe,

zodat je iedere film een unieke vingerafdruk kunt

geven. Voor filmpjes zoals die op YouTube staan,

is dat relevant: je kunt bijvoorbeeld kijken of er

onrechtmatig copyrightmateriaal is gebruikt.

Maar ik wilde graag onderzoek doen met meer

maatschappelijke relevantie.”

Filmen bij kijkoperaties

De eerste paar maanden moest Bouarfa praten

als Brugman om chirurgen ervan te overtuigen

dat het inderdaad mogelijk is om de veiligheid

en efficiëntie in de operatiekamer te verhogen

als je daar automatische controlesystemen

inzet. Bouarfa: “De meeste artsen vonden dat

elke operatie uniek is. Patiënten zijn allemaal

verschillend, iedere arts heeft zijn of haar eigen

stijl, en dus is een operatie volgens hen een

creatief proces en geen voorspelbaar industrieel

traject, dat je met computers kunt analyseren.”

Toch lukte het om bij een tiental operaties te

zijn, en het proces zowel met videobeelden als

met handmatige protocollen vast te leggen. Het

ging om vrij vaak voorkomende operaties, waarbij

de galblaas van een patiënt verwijderd wordt.

Het gaat daarbij om een kijkoperatie, waarbij

een endoscopiecamera en de instrumenten door

een of meer openingen in de buikwand worden

ingebracht. Het lukte al redelijk goed om een

operatie automatisch in een aantal hoofdfasen in

te delen. Maar zou je de workflow nog preciezer

kunnen meten? Omdat videobeelden van de

operatiezaal te veel als een inbreuk op de privacy

worden gezien, moest Bouarfa andere methodes

vinden. Ze besloot om met een kleurcodering

op de instrumenten te werken, zodat ze op

de beelden van de endoscopiecamera goed te

detecteren zijn. Door de video-opnamen van

een endoscoop met de computer te analyseren,

lukte het om de workflow preciezer in fasen in

te delen. Bouarfa: “Dat valt niet mee, omdat

sommige chirurgen graag hetzelfde instrument

veel gebruiken, terwijl andere juist ervan houden

om lekker veel te wisselen.”

Het kon dus niet alleen blijven bij een automati-

sche herkenning van de gebruikte instrumenten.

Het systeem zou flexibel genoeg moeten zijn om

uit meerdere operaties het gebruikelijke stramien


af te leiden, en dan te kijken in hoeverre de

gemeten operatie daarvan afwijkt.

Coöperatieve chirurg

In haar derde jaar ging Bouarfa naar de

Minimally invasive Interdisciplinary Therapeutical

Intervention group van de Technische Universität

München en trof daar een zeer coöperatieve

chirurg aan: deze geloofde sterk in een proces-

matig verloop van operaties. In een aangrenzen-

de dierkliniek kon Bouarfa een eerste versie

van haar instrumenten-trackingsoftware uit-

proberen. Bovendien identificeerde ze vier pre-

operatieve factoren die het mogelijke optreden

van complicaties beïnvloeden: het aanwezig zijn

van een ontsteking, de dikte van de galblaas-

wand, het geslacht en de body mass index (BMI)

van de patiënt. Met een eerste analyseprogram-

ma lukte het om dit risico in zo’n tachtig procent

van de gevallen juist in te schatten.

Tijdens een conferentie ontmoette Bouarfa

onderzoekers van de preoperatieve datasys-

teemgroep van het de Vanderbilt Medical Centre

uit Nashville (USA). “Ik had in het derde jaar in

mijn systeem demografische data geïntegreerd

die voorafgaande aan een operatie worden

verzameld. Daarbij gaat het om zaken zoals leef-

tijd, gewicht en de waarden van een bloedtest.

Maar ik was op zoek naar een postoperatieve

dataset, met daarin gegevens zoals hoe lang

het duurt eer patiënten hersteld zijn. De groep

in Nashville had een grote dataset voor me

van postoperatieve gegevens die de laatste

tien jaar waren verzameld om te voorspellen

hoe lang patiënten in de verkoeverkamer blijven.

Dat was lastig om nauwkeurig te voorspellen.

Ik had weliswaar een grote dataset, en daarvan

kon ik allerlei statistische waarden berekenen,

maar vaak ontbraken er belangrijke gegevens.

Dat maakt een voorspelling onnauwkeurig.”

Inmiddels werkt Bouarfa als postdoc aan het

Hamlyn Centre bij het Imperial College London.

Daar wil ze haar systeem breder maken. “Er is

hier een unieke combinatie van ingenieurs en

clinici aan het werk. De leider hier is zelf een in-

genieur. Dus dat betekent dat hij precies begrijpt

wat je nodig hebt om automatische proces-

monitoring in de operatiekamer nauwkeuriger

te maken. We experimenteren bijvoorbeeld nu

met sensoren die de hartslag en huidweerstand

van een chirurg kunnen meten. Daarmee kun je

niet alleen iets over de fasen van een operatie

zeggen, maar kun je ook kwalitatieve uitspra-

ken doen, bijvoorbeeld wanneer de chirurg een

verhoogd stressniveau heeft, en of daardoor het

risico van een operatie verandert.”

Bouarfa: “Dat je met patroonherkenningstech-

nieken de menselijke handelingen in de chirur-

gische praktijk kunt registreren, analyseren en

voorspellen blijf ik een fascinerende toepassing

van techniek vinden. Ik hoop dat dit in de toe-

komst een directe bijdrage kan leveren aan het

verminderen van menselijke fouten in en rondom

de operatiekamer.”



De duivel zit

in de details

Kleinere accu’s dankzij

gegroefd silicium

kandidaat


dr.ir. Kundan Kumar


Hoe kun je op een paar vierkante millimeter een

accu maken die niet in een zucht leeggelopen

is? Kundan Kumar onderzocht of je accu’s kunt

maken met een hogere energiedichtheid dan de

huidige. Dat zou geschikte miniatuuraccu’s kun-

nen opleveren voor allerlei toepassingen. Kumar:

“Denk aan een intelligente pil die in het lichaam

medicijnen moet afleveren op bepaalde tijden.”

Kundan Kumar (India, 1983) was een late bekeer-

ling tot de wiskunde. Nadat hij zijn middelbare

school had afgemaakt in zijn geboortestad Patna,

werd hij toegelaten tot het Indian Institute of

Technology (IIT) in New Delhi. Hij haalde daar

zijn bachelor en liep een tijd stage bij een over-

heidslaboratorium, waar hij problemen bestu-

deerde op het gebied van warmte-overdracht.

En daar realiseerde hij zich: ik weet niet genoeg.

“Toen ik de literatuur probeerde te lezen, bleek

die merendeels in wiskundige termen te zijn

geformuleerd, zoals bij elk natuurkundig onder-

werp. Maar een technische opleiding biedt

meestal weinig serieuze wiskunde, ze slaan

veel over. Ik wilde er echt meer over leren.”

De kans om dat te doen, was een Erasmus

Mundus-beurs van de Europese Unie. “Dat gaf

me de kans om industriële wiskunde te bestude-

ren, een jaar in Eindhoven en een jaar in Kaisers-

lautern, met een master van allebei. Het was in

het begin moeilijk, maar ik kwam er uiteindelijk

goed uit.”

Daarna was het uitkijken naar een promotie-

plaats, en er was een plek recht voor zijn neus,

in Eindhoven. De Verenigde Staten kwamen

ook even in beeld, maar de weg daarheen was

bezaaid met financiële en administratieve

struikelblokken. “Europa is in vergelijking daarmee

een eitje. Je schrijft een brief en bied je aan.

Als de hoogleraar je uitnodigt voor een gesprek,

betaalt hij zelfs je reiskosten!”

Kumar werd betrokken bij een onderzoek

naar accu’s, dat zijn promotor professor Sorin

Pop was begonnen. “Accu’s met een hogere

energiedichtheid dan de huidige. Dat zou ge-

schikte miniatuuraccu’s kunnen opleveren voor

allerlei toepassingen. Denk aan een intelligente

pil die in het lichaam medicijnen moet afleveren

op bepaalde tijden.”

Zo’n accu moet uit vaste stoffen bestaan. In de

meeste huidige accu’s staan de twee elektroden

waarover de elektrische spanning staat met

elkaar in contact via een vloeibaar elektrolyt,

doorgaans een goedje dat je niet per ongeluk

uit de batterij wilt zien lopen.

Vast of vloeibaar, hoeveel energie de batterij

kan bevatten, hangt onder andere af van de

oppervlakte van de elektroden. Hoe meer vier-

kante centimeters in contact staan met het

elektrolyt, hoe langer er stroom kan vloeien.

Dat lijkt miniaturisering in de weg te staan: hoe

kun je op een paar vierkante millimeter een accu

maken die niet in een zucht leeggelopen is?

De diepte in

Door de diepte in te gaan. In het ontwerp dat

Kumar bestudeerde, bestaat de batterij uit een

ondergrond van silicium, waar achter elkaar drie

dunne lagen opgebracht worden: de anode, het

elektrolyt en de kathode. Als je nu voordat het

opbrengen begint, diepe groeven in het silicium

trekt, kun je zonder dat de plak zelf groter is

geworden, een veel groter oppervlak aan elek-

tronen aanbrengen.

“Maar de duivel zit natuurlijk in de details”, zegt

Kumar. “Je brengt de lagen aan door over het

silicium een gas te laten stromen dat atomen

van het juiste materiaal met zich meevoert.

Als de groeven te smal en te diep zijn, worden

alle atomen afgezet voordat ze de bodem van


de groef bereikt hebben, en heb je er niets aan.

En als er bijvoorbeeld wel een anodelaag en een

kathodelaag worden afgezet, maar met het elek-

trolyt gaat het mis, dan heb je dus elektroden die

elkaar raken: kortsluiting in de batterij.”

“In mathematische termen heb je te maken

met diffusiviteit en reactiviteit. Hoe groter de

diffusiviteit van de moleculen die het gas met

zich meevoert, des te verder komen ze. Maar hoe

reactiever de moleculen in het gas zijn, des te

eerder zetten ze zich al ergens op het oppervlak

af. Tussen die twee krijg je een wisselwerking.”

Een standaardmanier om daar vat op te krijgen,

is het beschrijven van de situatie op een groot

aantal punten, en op grond van diffusiviteit en

reactiviteit berekenen wat de situatie een korte

tijd later zal zijn. Het probleem daarbij is, zegt

Kumar, dat de groeven in het silicium erg klein

zijn, in de orde van grootte van micrometers,

terwijl de plak silicium waarmee tijdens het

opdamp-proces wordt gewerkt wel tien centi-

meter groot is. Dat betekent dat er miljarden

punten moeten worden doorgerekend, en dat is

voor de computers van vandaag, hoe snel ook, te

veel gevraagd.

In plaats daarvan kun je ook kijken naar de

natuurkundige wetten die op al die groeven en

het gas van toepassing zijn, en kijken of je die

kunt combineren tot een elegante uitdrukking

die gewoon het antwoord geeft. Dat zoiets

perfect lukt, is niet te verwachten, maar je

komt een eind als je de situatie vereenvoudigd

beschrijft, waarbij de vereenvoudiging zo is

gekozen dat heikele wiskundige problemen

ermee omzeild worden.

“Wat je doet, is gebruikmaken van de regelmaat

van de groeven”, legt Kumar uit. “In plaats dat je

alle groeven moet beschrijven, profiteer je van

het feit dat ze allemaal hetzelfde zijn.”

Wiskundig bewijzen

Om te zien of zijn berekeningen nog wel iets met

de werkelijkheid te maken hadden, vergeleek

Kumar de resultaten met computersimulaties

van het gedrag van het gas en de meegevoerde

moleculen in slechts enkele groeven, een klus

die een goede computer wel aankan. Er waren

natuurlijk verschillen, maar die kon hij dan weer

als correctiefactoren opnemen in zijn formules.

“En ik kon ook wiskundig bewijzen dat naarmate

je meer punten bekijkt, het resultaat steeds

dichter bij mijn formules komt.” Uiteindelijk ver-

geleek hij die formules vervolgens ook met het

gedrag van echt gas op echt silicium, in fysische

experimenten. En het bleek dat zijn beschrijving

goed klopte.

Behalve in groeven werkt de methode van

Kumar ook met holtes in een volume vaste stof:

poreus materiaal. Dat heeft een enorm aantal

toepassingen, van het gedrag van water in de

bodem tot dat van olie diep onder de grond.

Met dat laatste is hij nu bezig aan de universi-

teit van Texas in Austin: “Ik werk daar op het

Centrum voor Ondergrondse Modellering.

Daar kijken we bijvoorbeeld naar hoe je olie

kunt winnen door water te persen in de lagen

waar het voorkomt. Zo gaat dat: je verandert

van richting in je onderzoek, maar niet radicaal.

Dat geeft je een uitdaging, maar je kunt wel

gebruiken wat je eerder hebt geleerd.”



Hoe je een stofzuiger-

slang tot zwijgen brengt

Günes Nakiboglu onderzocht

spontaan optredend geluid in

geribbelde pijpen

kandidaat




Hoe ontstaan geluidsgolven in geribbelde

pijpen? Dit geluid kan storend zijn – denk aan

een fluitende luchtverversing – en als het in een

gasleiding optreedt, kan het op den duur zelfs

beschadigingen veroorzaken. Nakiboglu ging

op zoek naar het geheim van de zingende

stofzuigerslang.

“Ga naar het buitenland”, raadde de broer van

Günes Nakiboglu (Turkije, 1981) hem aan.

“Ga kijken hoe anders alles daar is.” En dus ging

de kersverse 26-jarige ingenieur naar België.

Hij had werktuigbouwkunde gestudeerd aan de

Technische Universiteit van het Midden-Oosten

in Ankara. Daarna haalde hij aan diezelfde uni-

versiteit zijn master – maar werkte hij, omdat hij

ervaring in het bedrijfsleven op wilde doen, ook

bij een fabriek van raketten. Daar deed hij zijn

interesse op in de dynamica van vloeistoffen, het

onderwerp waarop hij in Eindhoven promoveerde.

Maar het was zijn broer, promovendus aan het

MIT in de VS, die de nieuwsgierigheid wakker

maakte naar een leven buiten Turkije.

“Ik solliciteerde bij het Von Karman Institute for

Fluid Dynamics in België. Dat was een program-

ma van een jaar. En dat is waar mijn Nederlandse

verhaal begint. Mijn promotor in Eindhoven,

professor Avraham (Mico) Hirschberg, gaf ook les

aan het instituut in België. Hij vertelde me dat er

een plek beschikbaar was in Eindhoven, en dat hij

van mijn begeleider in het Von Karman Institute

had gehoord dat ik een goede kandidaat zou zijn.”

“Ik moest toen een moeilijke keus maken, want

ik was ook aangenomen als PhD-student in de

VS, aan de University of Maryland. Ik probeerde

mijn besluit te nemen op basis van een tabel

waarin ik allerlei factoren verwerkte: kwaliteit

van hoogleraren, onderwerp van het onderzoek,

noem maar op; daar zette ik dan coëfficiënten

bij van hoe belangrijk ik die vond – een poging

om wetenschappelijk uit te vinden wat ik moest

doen. Maar natuurlijk koos ik de coëfficiënten zo,

dat het altijd heel dicht bij elkaar lag. Dat soort

dingen werkt gewoon niet. Als je weet wat je

wilt, hoef je de tabel immers niet te maken, en

als je hem wel moet maken, ligt het dus gewoon

niet duidelijk.”

Spontaan geluid

Uiteindelijk koos hij voor Eindhoven om onder

Mico Hirschberg te promoveren op een onder-

werp waar hij niet veel vanaf wist: akoestiek.

“Ik had wel veel colleges vloeistofdynamica

gevolgd, maar niet daarover, dus in het begin

moest ik hard werken om daarin thuis te raken.”

Het probleem waaraan Nakiboglu werkte,

was dat van spontaan optredend geluid in

geribbelde pijpen. Een voorbeeld daarvan is een

stofzuigerslang: dankzij de op vaste afstanden

rondlopende profielen is hij stevig, maar onder-

tussen toch buigzaam. Een los stuk stofzuiger-

slang dat je snel in je hand ronddraait kan gaan

fluiten: er bestaat zelfs een muziekinstrument

dat uit weinig meer dan zo’n stuk slang bestaat.

Minder geslaagd is het als gebeurt in een gas-

leiding, waar het geluid – een vibratie per slot van

rekening – storend kan zijn en op den duur zelfs

beschadigingen kan veroorzaken.

“We hadden al heel veel meetgegevens van

TNO, waar het gedrag van geribbelde pijpen uit-

gebreid was bestudeerd”, vertelt Nakiboglu. “Ze

hadden allerlei vormen uitgeprobeerd, maar het

was nog niet precies duidelijk wat er gebeurde.”

Hij begon daarom maar zo eenvoudig mogelijk.

“Een eerdere promovendus was begonnen met

experimenteren aan een buis met een of meer

zijtakken. Met eigen proeven en gegevens uit

de TNO-tests en andere onderzoeken konden

we aantonen dat het bij een of meer zijtakken

precies hetzelfde is. Door de pijp stroomt lucht,


in de zijtak of ribbel staat lucht stil. Dat resulteert

in een grenslaag, waarin wervels ontstaan. Dat is

het deel van het mechanisme dat geluid opwekt.

Het andere deel is dat in de buis, net als in een

orgelpijp, een staande golf ontstaat.”

Die staande geluidsgolf, in feite een opeenvol-

ging van gebieden waar sterke geluidstrillingen

plaatsvinden en gebieden waar nauwelijks

iets te horen is, reageert op de wervels en

beïnvloedt ze tegelijkertijd. Nakiboglu: “Dat

levert een terugkoppeling op, net zoals met een

microfoon en een versterker die rondzingen. De

grenslaag speelt daarbij de rol van de versterker,

de staande golf zorgt voor de terugkoppeling.”

Vergelijking met de TNO-data liet zien dat dit

model klopte. Maar in geribbelde buizen bleek

ook nog iets anders: lang niet alle ribbels produ-

ceerden geluid. “Van de honderd waren het er

misschien maar tien. Door er een stuk of drie uit

te halen, kon je het systeem helemaal stil krijgen.”

Geluidloze buizen

Om uit te zoeken hoe dat zat, maakte Nakiboglu

vervolgens een numeriek model van de geluids-

productie van een geribbelde pijp. Dat was het

belangrijkste resultaat van zijn onderzoek. Het

betekende dat hij in detail de luchtstroming in

de pijp moest beschrijven rond één ribbel, en de

wisselwerking tussen twee naast elkaar gelegen

ribbels.

Het bleek dat hij het geluid kon laten uitdoven

door te spelen met de afstanden tussen de

ribbels. “Om het fluiten te voorkomen, kun je

de afstanden tussen de ribbels in een pijp wil-

lekeurig laten variëren, maar dat is lastig bij de

productie. Het is ook al voldoende als je de

ribbels om en om wat dichterbij elkaar en wat

verder van elkaar af laat zitten. Dan is de ene

ribbel telkens geluid aan het produceren, terwijl

de andere het juist absorbeert.”

Met zijn proefschrift heeft Nakiboglu het pro-

bleem grondiger weten op te lossen dan

van tevoren werd verwacht. Een bedrijf, BOA

Group, heeft inmiddels geluidloze buizen in

productie.

Zelf werkt Nakiboglu nog steeds in Nederland,

bij ASML, fabrikant van lithografie-systemen:

de machines waarmee computerchips gemaakt

worden. “Dat was een sponsor van mijn project.

Het werk heeft raakvlakken met mijn proef-

schrift. Bij het maken van chips werk je met

lasers, en die moeten erg nauwkeurig zijn. De

laser gaat door de lucht, en wanneer je de druk,

temperatuur en vochtigheid daarvan niet heel

precies in de hand houdt, kan die laser niet

werken. Een temperatuurafwijking van 0.01

graad kan al te veel zijn.”



Wervelend onderzoek

Daniele Ragni deed optisch

onderzoek naar de krachten van

luchtstroming op vleugels

kandidaat


dr. Daniele Ragni


Daniele Ragni wilde een meetmethode ontwik-

kelen waarmee de aerodynamische krachten

op vleugelprofielen en vliegtuigpropellers

beter te meten zijn. Ragni: “Met de bestaande

meetmethoden moet je sensors op de vleugel

plakken als je de kracht van de luchtstroming op

een vleugelprofiel wilt meten. Mijn onderzoek

richtte zich op het ontwikkelen van een optische

methode, waarmee je de krachten op ieder

willekeurig punt van de vleugel op afstand

kunt meten.”

Daniele Ragni (1983, Italië) studeerde cum

laude af als mechanisch ingenieur aan de

Polytechnische Universiteit van Ancona. Met een

studiebeurs kwam hij daarna bij het Deutsches

Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) terecht.

In 2009 stapte hij over naar de TU Delft voor

zijn promotieonderzoek. De optische methode

die hij wilde ontwikkelen om de kracht van lucht-

stroming op vleugelprofielen te meten, wordt

‘particle image velocimetry’, kortweg ‘PIV’, ge-

noemd. Daarbij worden aan een stroming kleine

deeltjes toegevoegd, die met een laserstraal

worden beschenen. De deeltjes lichten op en

kunnen zo worden gefotografeerd. Tussen twee

achtereenvolgens gemaakte opnamen bewegen

de deeltjes. Met behulp van de computer kan

daarmee voor ieder punt van de vleugel de

lokale stroomsnelheid worden bepaald. Aan de

hand daarvan is de kracht op een oppervlak uit

te rekenen.

Ragni: “In mijn studie had ik me vooral met

vloeistofdynamica beziggehouden. Daar voeg

je bijvoorbeeld microscopisch kleine, met lucht

gevulde glazen kralen aan een stroming toe.

Maar aan het begin van mijn onderzoek was

niet duidelijk welke deeltjes het meest geschikt

zijn voor gebruik in een luchtstroom.” In een

eerste meetopstelling probeerde hij daarom

verschillende soorten deeltjes uit. Die zijn enkele

nanometers groot. Ragni keek naar het gedrag

bij hoge en lage stromingssnelheden. Het bleek

dat vooral de grotere deeltjes niet precies de

stroming volgden, zodat metingen onnauwkeurig

werden.

Ragni vond een nieuwe methode om deeltjes

te selecteren van een kleinere afmeting, en een

oplossing voor een probleem waarbij de grootte

van de deeltjes fluctueerde. Met deze nieuwe

methode lukte het hem om de deeltjes die uit

een deeltjesgenerator komen als het ware te

zeven. Om dat te doen, leidde Ragni ze in een

soort cycloon. In de luchtwerveling vliegen de

grote deeltjes naar de buitenkant, terwijl de

kleine deeltjes in het midden blijven. Die worden

vervolgens nog weer eens kleiner gemaakt

via een ‘impactor’: een metalen plaat waar de

deeltjes in volle vaart tegenaan botsen om dan

in kleinere stukken uiteen te vallen. Een filter

vangt de grote brokstukken op; de kleinere gaan

verder. Ragni: “We realiseerden ons dat de door

ons gescheiden deeltjes zo klein werden, dat

bestaande filterapparatuur ze niet meer kon

opvangen. En niemand wist of deze nanodeeltjes

schadelijk voor de gezondheid zijn. We moesten

dus extra veiligheidsmaatregelen nemen, zoals

speciale maskers en beschermende kleding

dragen, en ook decontaminatieruimtes inrichten.

Dat heeft me heel wat hoofdbrekens gekost.”

Betere metingen

De metingen daarna brachten nog een oplos-

sing aan het licht voor de fluctuerende grootte

van de deeltjes. Het bleek namelijk dat sommige

deeltjes, kort voordat ze aan de luchtstroom

worden toegevoegd, condensatievocht kunnen

aantrekken. Daardoor komen ze als het ware

in een druppel te zitten, en worden veel groter

dan de andere deeltjes. Door de deeltjes tot

ongeveer 200 graden te verhitten, was dit

probleem de wereld uit.


Met de constant kleinere deeltjes lukte het

om spectaculair betere metingen te doen:

de meetresultaten waren zo’n twee keer nauw-

keuriger dan tot dusver mogelijk was geweest.

Op conferenties bleken de collega’s van het DLR

enthousiast over de nieuwe methode voor het

selecteren van de deeltjes, en de oplossing voor

het condensatievocht probleem. Het DLR ge-

bruikt in veel metingen ook deeltjesgeneratoren

en is direct gebaat bij de oplossing van Ragni.

In het derde jaar werden de metingen een

stuk complexer. Tot dan toe was er alleen met

statische modellen gewerkt. Nu onderzocht hij

ook een bewegende propeller. Ragni: “Door de

beweging van je meetobject verandert alles.

Je krijgt te maken met resonanties en vibraties.

Het grootste probleem daarbij is, dat je de

camera en de laser en de hele rest van je

meetopstelling moet synchroniseren met de

propeller. En dan moet je de motor zien te koelen

zonder je luchtstroom te verpesten. En natuurlijk

krijg je allerlei wervelingen in de luchtstroom

door het bewegen van de propeller.” Toch lukte

het Ragni om een werkbare meetopstelling

te maken, en zijn meetresultaten te ijken aan

bestaande meetmethoden. In het vierde jaar

volgden nog experimenten in de windtunnel van

het Nationaal Lucht- en Ruimtevaartlaboratorium.

Inmiddels werkt Ragni als postdoc met de door

hem ontwikkelde meetmethode aan de TU Delft.

Hij onderzoekt nu het aerodynamische gedrag van

windmolens, in samenwerking met het ECN in

Petten en de windmolenfabrikant Vestas. Ragni:

“De modellen van windmolenvleugels zijn veel

groter dan van propellers. De vleugels zijn zo’n

anderhalve meter lang. Dus dat betekent dat je

de meeste van de problemen die je bij propellers

hebt ook hier weer hebt, maar dan op een grotere

schaal. Om dan toch de beste meetresultaten te

krijgen, dat is voor mij een echte uitdaging.”



Een nieuw recept

voor vuurvast staal

Hemant Sharma onderzocht hoe

metaal zich op microscopisch niveau

gedraagt

kandidaat


dr. Hemant Sharma


Wie inzicht wil krijgen in de eigenschappen van

metalen, moet niet naar de atomen kijken, maar

net een niveau hoger: naar de ‘korrels’ waarin

die samenklonteren. Hemant Sharma verbeterde

een röntgentechniek waarmee heel nauwkeurig

te zien valt hoe die korrels zich gedragen. Zijn

onderzoek leidde tot nieuw inzicht in het gedrag

van staal bij hoge temperaturen.

Hemant Sharma (India, 1984) wilde al weten-

schapper worden sinds hij een klein jongetje was.

En toen hij eenmaal de kans kreeg om te gaan

studeren, aan het Punjab Engineering College

in zijn woonplaats Chandigarh, wist hij ook al

precies wat hij wilde: niet iets met computers,

maar concrete, tastbare onderwerpen. “Metaal-

kunde was het minst cool. En na de bachelor

kozen zelfs mijn studiegenoten op vier na alsnog

voor informatica. Maar ik vond het interessant.

Neem staal. Het bestaat altijd uit dezelfde bouw-

stenen: ijzer, koolstof, een klein beetje van een

paar andere elementen. En daarmee kun je dan

een enorme verscheidenheid aan eigenschappen

krijgen.” Toen hij zijn hoogleraar vroeg, waar hij

het best heen zou kunnen gaan om een master

te doen, als opmaat voor een promotie, noemde

die Delft. En Sharma vond de TU daar aantrek-

kelijk omdat je er, hoe toepassingsgericht de

studierichtingen er ook zijn, ook fundamenteel

onderzoek kunt doen.

Na zijn master materiaalkunde nodigde zijn

begeleider, dr.ir. Erik Offerman, hem uit om als

promovendus te komen werken aan een project

dat meer inzicht moest geven in het gedrag van

metalen op microscopisch niveau. “Tot die tijd,

en nu ook nog veel, wordt metaal bestudeerd

met röntgenstraling in het lab. Dat zijn stralen

van lage intensiteit, en daarmee krijg je alleen

informatie van het oppervlak”, legt Sharma uit.

“De techniek die wij gingen gebruiken, werkt

met een scherp gefocusseerde, intense rönt-

genbundel, een miljard keer intensiever. En de

röntgenstralen hebben ook een hogere energie

per foton, waardoor ze wel door 2 millimeter

staal heen kunnen dringen.”

Speciale oven

Apparaten die zulke krachtige röntgenstraling

opwekken, staan tot nu toe alleen in Duitsland,

de VS, Japan en Frankrijk. Sharma ging voor

zijn onderzoek vele malen naar Grenoble. Hij

ontwikkelde er een speciale oven die in de

röntgenbundel kon worden geplaatst, met het

metaalmonster precies op de juiste temperatuur,

en daarbij ook nog draaibaar in allerlei standen.

“Afhankelijk van de dikte vinden we aan de

achterkant van ons monster ongeveer de helft

van de straling nog terug. In 0,3 seconden maken

we zo een afbeelding waar we met gewone lab-

apparatuur een paar dagen over zouden doen.”

Wie inzicht wil krijgen in de eigenschappen van

metalen, moet niet naar de atomen kijken, maar

net een niveau hoger: naar de ‘korrels’ waarin

die samenklonteren. Binnen elke korrel zijn de

atomen gerangschikt volgens het ideale patroon

dat door hun afmetingen en chemische eigen-

schappen is voorbeschikt: een kristalrooster.

“Er was al een methode om uit het röntgenbeeld

af te leiden waar in het monster de korrels

zaten”, vertelt Sharma. “Het beeld bestaat uit

een groot aantal vlekjes, en het idee is dat je

alle vlekjes moet vinden die door dezelfde korrel

zijn gekomen. Daaruit kun je dan de plek afleiden,

de oriëntatie van het kristalrooster in de korrel en

de spanning waar dat rooster onder staat.”

Het probleem: meer dan 200 korrels kon die

rekenmethode niet aan. En dus moest Sharma

alsnog aan de slag met de tak van sport die hij

tot dan toe zorgvuldig vermeden had: compu-

terprogramma’s schrijven. Dat hij daar weinig


ervaring mee had, bleek juist een voordeel. “Als

ik mensen vertelde wat ik van plan was, zeiden

ze: ‘Dat kan niet’. Als ik er wat meer van af had

geweten, was ik er misschien snel mee gestopt.”

Doorbraak

De doorbraak die het mogelijk maakte om uit-

eindelijk de gegevens van wel 6.000 korrels per

experiment vlot te berekenen, zat hem in

het omdraaien van de analyse. In plaats van

alle vlekjes in het röntgenbeeld te bekijken

en van allemaal uit te zoeken wat hun oorsprong

is, gokt het programma van Sharma op welke

plaatsen, in een regelmatig patroon, de korrels

zullen zitten en waar op het röntgenbeeld de

bijbehorende vlekken dan moeten liggen. Op

basis daarvan wordt dan een aantal ‘kandidaat-

vlekken’ gevonden, en dan rekent het programma

weer terug om nauwkeuriger vast te stellen

waar elke korrel precies ligt.

Met het ontwikkelen van de oven en de reken-

methode was veel tijd gemoeid, tijd waarin

Sharma over het gedrag van korrels in metaal

nog helemaal niets te weten kwam. “Dat was

soms wel frustrerend. Maar uiteindelijk kwamen

er toch mooie resultaten uit.”

Die gaan over de rol van de dislocaties in het

metaal, de plaatsen waar korrels met een

verschillende stand maar moeizaam op elkaar

passen. Er ontstaan extra dislocaties wanneer

je een stuk metaal vervormt; verhit je het

daarna, dan krijgt het kristalrooster de kans

zich te herstellen, doordat korrels met elkaar

versmelten en daarmee de dislocaties verdwij-

nen. Maar niet allemaal. Sharma: “Ik kon laten

zien dat er korrels zijn die groeien, maar ook

korrels die juist kleiner worden. En dat gebeurt

op zo’n manier, dat het aantal dislocaties gelijk

blijft. Hoe dat komt, weten we nog niet.”

Met zijn waarnemingen kon Sharma ook een

veelgebruikt model corrigeren over de vorming

van korrels wanneer een metaal een bepaalde

kritische temperatuur passeert, en het voor

zijn atomen aan een ander soort rangschikking

de voorkeur gaat geven. “De theorie klopt in

principe wel, maar we vonden wel een veel

lagere korrelvorming dan de theorie voorspelde.”

Het meest tevreden is Sharma erover dat hij

met zijn oven en zijn berekeningsmethode een

nieuw recept voor vuurvast staal heeft gevon-

den. Hij had een legering gemaakt met bijna

één procent niobium erin, tien keer zoveel

als normaal, om beter te kunnen bekijken wat

niobium in gewoon staal precies doet. Het

bleek dat in zijn monster de korrelgrootte

niet toenam als hij het verhitte. Er waren wel

groeiende korrels, maar er waren evenveel

korrels die juist kleiner werden. “We begrijpen

niet waarom dat gebeurt. Maar het is een

mooie toepassing, want doordat de gemiddelde

korrelgrootte niet stijgt, is dit een legering die

sterk blijft bij hoge temperaturen. Een collega

is dat nu verder aan het onderzoeken.”

Zelf werkt Sharma inmiddels in Chicago, waar

ook zo’n sterke röntgenbron staat. Voor General

Electric onderzoekt hij legeringen voor turbine-

schoepen. “Ik kijk nu niet meer naar temperatuur-

veranderingen, maar naar mechanische effecten.

En ik gebruik zowel de oude methode van onder-

zoek als de door mij ontwikkelde, en dan met nog

een hogere resolutie.”


Technologiestichting STW

Postadres

Postbus 3021

3502 GA Utrecht

The Netherlands

Bezoekadres

Van Vollenhovenlaan 661

3527 JP Utrecht

T +31 (0)30 600 12 11

F +31 (0)30 601 44 08

E [email protected]

www.stw.nl

STW-nummer

2013/10817/STW

ISBN-nummer

978-90-73461-83-3

NUR

950

Colofon

Interviews

Drs. Bas den Hond

Dr. Sybe Rispens

Redactie

Drs. Huub Eggen, STW

Drs. Mans Kuipers

Eindredactie en productie

Astrid van der Stroom, STW

Ontwerp

Room for ID’s, Nieuwegein

Realisatie

Argante Argante, Amsterdam

Fotografie

Ivar Pel, Utrecht

Drukwerk

Zwaan printmedia, Wormerveer

www.stw.nl

Documents

Simon Stevin Gezel 2013