Hoe cool is LEGO®? Leidse natuurkundigen gebruiken het voor ijskoud onderzoek
De groep van Tjerk Oosterkamp doet misschien wel het koudste onderzoek ter wereld. De onderzoekers hebben een sensor afgekoeld tot minder dan 2 millikelvin - bijna zo koud als het absolute nulpunt. Daarmee kunnen ze extreem gevoelige metingen doen. Promovendus Jaimy Plugge hielp bij het bouwen van de opstelling: ‘We zijn op het moment de enige groep ter wereld die dit zo koud en trillingsvrij kan.’
‘Ons lab in Leiden heeft het wereldrecord van koudste en meest trillingsvrije plek op aarde’, vertelt Plugge. ‘We doen in ons lab een soort MRI-scans, maar dan op nanometerschaal. We meten met de sensor ontzettend kleine krachten en daarvoor is het belangrijk dat er geen vibraties zijn die de metingen verstoren.’ Die vibraties kunnen komen door trillingen van bijvoorbeeld het gebouw en mensen die rondlopen, maar ook door temperatuur. Plugge: ‘De atomen in een materiaal bewegen meer bij een hogere temperatuur en dat zorgt ook voor trillingen. Dus als je nog gevoeliger wilt meten, moet je instrument heel koud zijn.’
Maar hoe krijg je de sensor daadwerkelijk zo koud? Het afkoelen gebeurt in de cryostaat (de koelkast) en die moet verbonden zijn met de krachtsensor om warmte weg te leiden. Die verbinding wordt gemaakt met een platte, zilveren draad die van de koelkast langs de opstelling naar de sensor onderin het instrument gaat. Maar er is een risico dat die draad extra vibraties naar de sensor leidt. De oplossing? LEGO! Plugge legt uit: ‘Als je LEGO-blokjes op elkaar stapelt, zitten ze heel stevig vast en geleiden ze bijna geen warmte. Ideaal dus.’
Speelgoed of onderzoeksmateriaal?
De warmtegeleiding van LEGO is onderzocht door een onderzoeksgroep van Lancaster University in het Verenigd Koninkrijk. Het is niet alleen het kunststof materiaal waardoor de blokjes slecht warmte doorlaten, maar vooral ook de vorm. Als je meerdere blokjes stapelt, hebben ze weinig contactpunten en geleiden ze nog minder warmte. Omdat het ook nog makkelijk te verkrijgen is, is het een goede optie voor het experiment in Leiden. Plugge: ‘Je kunt natuurlijk meer materialen bedenken die slechte warmtegeleiders zijn, maar dit is wel leuk! We hebben ook expres verschillende kleurtjes gebruikt.’
Ook te gebruiken voor biomedisch onderzoek
Dat ze nu nog gevoeligere metingen kunnen doen, is niet alleen nuttig voor de natuurkunde, zo legt Plugge uit: ‘Je kan met deze techniek bijvoorbeeld ook eiwitten of DNA-moleculen in 3D afbeelden om te zien hoe ze gevouwen zijn.’ De volgende stap voor Plugge en zijn collega’s is om niet alleen de sensor, maar ook het monster af te koelen. ‘Maar daarmee moeten we nog even wachten, door een foutje kan de koelkast nu niet meer zo ver afkoelen’, lacht Plugge.
Het gepubliceerde artikel is te vinden in het Journal of Low Temperature Physics. DOI nummer: 10.1007/s10909-022-02933-3
Het koudste plekje op aarde. Zo werd dit lab genoemd toen natuurkundige Heike Kamerlingh Onnes er voor het eerst vloeibaar helium maakte in 1908. Lees meer over de geschiedenis van ultrakoud onderzoek in Leiden.