Luisteren naar licht

Meer dan honderd jaar geleden deed de uitvinder van de telefoon, Alexander Graham Bell, een toevallige ontdekking. Bij een van zijn experimenten liet hij zonlicht via een vlakke spiegel door een snel draaiende schijf met gaatjes vallen. Dit licht werd vervolgens gefocusseerd op een vaatje waarin zich een te onderzoeken stof bevond. Tot zijn verbazing werd hierin een duidelijk geluid waargenomen, waarvan de sterkte afhankelijk was van wat zich precies in het vaatje bevond. De frequentie van het akoestische signaal bleek bovendien evenredig met die van de draaiende schijf.

Eén jaar nadat Bell zijn bevindingen had gepubliceerd, bevestigden twee andere grote natuurkundigen, Röntgen en Tyndall zijn waarnemingen, maar nu in gassen en vloeistoffen. De drie onderzoekers dachten een nieuwe eigenschap van de materie ontdekt te hebben die ze 'general sonorousness' noemden. Dat zou niet helemaal waar blijken, omdat dit fotoakoestisch effect eenvoudig te verklaren is uit de interactie van licht met materie.

Wanneer zonlicht bijvoorbeeld op een gasmengsel valt, dan zullen de in het mengsel aanwezige gasmoleculen dit absorberen, met name in het infrarode gebied. Hierdoor wordt het mengsel enigszins opgewarmd, omdat de moleculen harder gaan trillen en ook op den duur ook sneller gaan bewegen: natuurkundigen zeggen dat de vibraties van het molecuul worden aangeslagen. Wanneer het licht nu steeds even wordt onderbroken, ontstaan er fluctuaties in de temperatuur waardoor het gas periodiek uitzet en weer inkrimpt. Er ontstaan zo drukvariaties, ofwel geluid. De sterkte hiervan is afhankelijk van de mate waarin het gas het excitatielicht absorbeert. Door de frequentie daarvan over een breed gebied te variëren, en met een microfoontje heel nauwkeurig de geluidssterkte te registreren, wordt een fotoakoestisch spectrum verkregen: hiermee worden de molecuultrillingen in beeld gebracht. In combinatie met gepulste lasers en uiterst gevoelige detectieapparatuur is deze techniek de laatste jaren uitgegroeid tot een belangrijk en veelgebruikt spectroscopisch hulpmiddel.

Aan de Katholieke Universiteit Nijmegen wordt sinds enkele jaren uitgebreid onderzoek gedaan op het gebied van toepassingen van de fotoakoestische spectroscopie. Onlangs promoveerde daar Frans Bijnen, die in de afgelopen vier jaar unieke laserdetectie apparatuur heeft ontwikkeld waarmee de gasuitstoot van biologische systemen nauwkeurig kan worden gemeten. Het apparaat bestaat uit een infrarode koolmonoxyde-laser en een meetcel. Deze laatste heeft de vorm van een orgelpijp, zodat het opgewekte geluid wordt versterkt. Het grote voordeel van de CO-laser is dat deze over een enorm breed gebied straling kan produceren. Hierdoor is het mogelijk om een heleboel verschillende gassen 'waar te nemen'. Het systeem is zo gevoelig, dat één enkel gasdeeltje te midden van een miljard luchtdeeltjes nog kan worden gedetecteerd. Bovendien kunnen verschillende gassen simultaan, continu en gedurende langere tijd worden gevolgd.

Bijnen paste zijn meettechniek vooral toe binnen de biologie. Zo werd onder andere de gasuitstoot van tomaten bestudeerd. Deze worden in het algemeen bij lage zuurstofconcentratie en lage temperaturen opgeslagen. Toch zijn ze onder dergelijke omstandigheden niet zo lang houdbaar als bijvoorbeeld appels. Onlangs hebben Israëlische onderzoekers ontdekt dat tomaten veel langer bewaard kunnen worden, als ze van te voren worden behandeld met alcohol damp of met acetaldehyde gas. Het lukte Bijnen vervolgens om aan te tonen dat deze stoffen ook door de tomaat zèlf worden geproduceerd, zowel tijdens als na een zuurstofloze periode: de tomaat kan zich zelf zo blijkbaar in optimale conditie houden. In samenwerking met onder andere het agrotechnologisch onderzoekcentrum in Wageningen (ATO) wordt nu gezocht naar een methode om tomaten en fruit (onder andere meloenen) zo lang mogelijk te kunnen bewaren. Bijnens fotoakoestische detector zal hierbij weer goed van pas komen, omdat het ook nodig is de concentraties van andere gassen als ethaan, ethyleen en koolzuurgas te meten. Deze geven namelijk inzicht in de mate van beschadiging en rijping van de vruchten.

Een ander gas dat in zeer geringe concentraties kan worden bestudeerd is aardgas, methaan. Samen met kooldioxide, stikstofoxiden en waterdamp is dit verantwoordelijk voor het broeikaseffect. Het is dus belangrijk om de uitstoot ervan goed te kunnen volgen. Voor een groot gedeelte van de methaanproduktie zijn speciale bacteriën verantwoordelijk, die zich onder andere in moerassen ('moerasgas'), rijstvelden en in de ingewanden van veel insekten bevinden. In rijstvelden zitten deze bacteriën voornamelijk wat dieper onder het oppervlak, waar geen zuurstof aanwezig is. De rijstplanten zorgen in dat geval voor het gastransport: zuurstof de grond in en methaan er weer uit. Het geheel wordt nog wat ingewikkelder gemaakt door de aanwezigheid van methaanconsumerende bacteriën die het methaan verbranden tot kooldioxide. Bijnen ontwikkelde een speciale naaldvormige probe waarmee de methaanconcentratie in de modder van een rijstveld kon worden bepaald. Hierbij kwam een verrassend gestructureerde wereld van modder boven water.

Ondanks Bijnens werk resten er nog veel vragen waarop de nu ontwikkelde opstelling een antwoord zou kunnen geven. Zo blijken sommige planten om veelal onduidelijke redenen veel beter dan andere te zijn opgewassen tegen periodes van zuurstofgebrek, bijvoorbeeld tijdens een overstroming. Door nu de gasuitstoot van planten onder zuurstofarme omstandigheden te volgen, kan de overlevingsstrategie beter in kaart worden gebracht. En als eenmaal belangrijke factoren zijn geïdentificeerd, kunnen wellicht meer resistente cultuurgewassen worden ontwikkeld.

Aan dit onderzoek zullen in de toekomst niet minder dan negen Europese laboratoria deelnemen, een goed voorbeeld van internationale samenwerking. Tenslotte wordt binnenkort in Nijmegen ook de mens onderwerp van fotoakoestische studies. Zo zullen de mate en de plaats van weefselbeschadigingen ten gevolge van giftige gassen in bijvoorbeeld sigaretterook kunnen worden vastgesteld, door het gasuitstootpatroon in kaart te brengen. Aangezien de apparatuur heel erg gevoelig is, kan er 'snel' worden gemeten en kunnen reacties van het lichaam op ingeademde rook in de tijd worden gevolgd. Dit onderzoek geschiedt weer in samenwerking met de vakgroep toxicologie.

Maar er zal ook hard worden gewerkt aan verbetering van de fotoakoestische methode. Hierbij zal gebruik worden gemaakt van thermo-akoestische versterking. Dit verschijnsel is bij glasblazers zeer bekend. Wanneer het gesloten uiteinde van een kwartsbuis wordt verhit, zal deze bij voldoende grote temperatuurverschillen een toon gaan produceren. Maar ook het omgekeerde effect is mogelijk, en heeft al geleid tot een akoestische koelkast. Hierin worden sterke geluidstrillingen gebruikt om warmte te transporteren, zodat plaatselijk de temperatuur wordt verlaagd, en elders juist weer wordt verhoogd. Een dergelijke koelmethode wordt onder andere toegepast in het Amerikaanse ruimteveer: een groot voordeel hiervan is namelijk dat geen chemicaliën nodig zijn. Bijnen ontwikkelde op basis van deze effecten een gevoeliger geluidsdetector waarmee nog lagere concentraties gassen kunnen worden gemeten.