Haarscherpe foto's uit de deeltjesversneller

Synchrotrons, ooit ontwikkeld voor deeltjesonderzoek, zijn nu vooral nuttige instrumenten voor medici, biologen en oudheidkundigen.

Het is druk in het Grand Palais. Buiten, op de Champs Elysées, beginnen auto’s vast te lopen in de avondspits en glimmen de stoepen in de motregen. Binnen lopen oude en jonge Fransen – beschaafd roezemoezend, zoals een mens verwacht in een Groot Paleis – langs een stuk of zeventig stands. Drie dagen lang presenteren Franse onderzoekers en uitvinders in deze Parijse tentoonstellingshal hun werk. Zo lopen ze vooruit op de Franse ‘wetenschapsweek’, het nationale Fête de la Science van 17 tot 23 november.

Paleontoloog Paul Tafforeau staat ergens achterin het hoge en lichte ‘middenschip’ van het paleis. Bij stand nummer 12, over ‘lichtbronnen’. Alleen trekt het oog van de bezoeker naar iets heel anders: naar de mijten, de wespen en de garnaal in de vitrine pal achter Tafforeau. Ze zijn zo’n 30 centimeter lang en gemaakt van zacht wit plastic, als glow-in-the-dark-dieren.

3D-PRINTER

Nadere inspectie maakt duidelijk: dit zijn geen beesten die van een lopende band afrollen en in de speelgoedwinkel belanden. Daarvoor zijn ze te gedetailleerd, te groot en ook een beetje te vreemd. Deze dieren, verduidelijkt Tafforeau, worden per stuk en laagje voor laagje opgebouwd met een 3d -printer. Elk exemplaar representeert een insect of een schaaldier dat honderd miljoen jaar geleden in het zuidwesten van Frankrijk, in de huidige Charentes, rondvloog of rondscharrelde. In een tijd dus dat daar ook dinosauriërs rondwaarden.

En hier past de lichtbron in zijn verhaal: in dit geval de European Synchrotron Radiation Facility (ESRF). Deze supermicroscoop, een instrument van 18 Europese landen, hoort bij de drie grootste synchrotrons op aarde. Hij staat in het Franse Grenoble op de landpunt waar de rivieren de Drac en de Isère samenvloeien.

Daar injecteert een krachtige deeltjesversneller elektronen in een ondergrondse opslagring met een omtrek van 844 meter. Dat gebeurt níet om die elektronen daarna op elkaar te laten botsen zoals in het onderzoek naar elementaire deeltjes. In het synchrotron gaat het er om dat elektronen die met sterke magneetvelden op koers worden gehouden, ook altijd intense elektromagnetische straling uitzenden. Van harde röntgenstralen tot zacht infrarood licht. En daaruit filteren onderzoekers uit uiteenlopende disciplines vervolgens licht met een specifieke golflengte, om er voorwerpen en materialen mee te belichten. Als in een supermicroscoop.

Met infrarode straling bijvoorbeeld identificeren medici moleculen, om zo de samenstelling van weefsels vast te stellen. Met ultraviolet licht kunnen scheikundigen en farmaceuten onderzoeken of moleculen linksdraaiend of rechtsdraaiend zijn. Met harde röntgenstraling doorgronden kristallografen, archeologen of kunsthistorici het inwendige van allerlei objecten.

Het ESRF levert vooral harde röntgenstralen, samengebald in potlooddunne bundels die tienduizend miljard maal intenser zijn dan de bundels uit röntgenapparaten in ziekenhuizen. En met die intense bundels bracht Tafforeau dit voorjaar samen met collega Malvina Lak van de universiteit van Rennes voor het eerst een hele trits insecten en schaaldieren in beeld die honderd miljoen jaar verborgen waren gebleven in ondoorzichtig, matbruin barnsteen (Microscopy and Microanalysis, maart 2008).

GERESERVEERD

Hij heeft dit verhaal al vaker verteld, zegt Tafforeau, een lange en wat gereserveerde Fransman, die ondanks zijn soepele uitleg zo te zien liever in het lab verblijft dan op een wetenschapsmarkt vol mensen. “Ik ben eigenlijk paleo-antropoloog.” Geïnteresseerd in de vroegste mens dus en in zijn evolutionaire voorouders. “En daarom bestudeerde ik tijdens mijn promotieonderzoek aan de universiteit van Montpellier tanden. Van mensachtigen en van primaten.”

Zo kwam Tafforeau ook bij het ESRF terecht. Min of meer bij toeval, omdat hij in 2000 in een gesprek met José Baruchel van het ESRF zijn frustratie uitte over het feit dat hij de tanden kapot moest maken om hun inwendige goed in kaart te kunnen brengen. En kapotmaken zou bij het synchrotron in Grenoble niet langer nodig zijn, vertelde zijn gesprekspartner.

Nu staat een kwart van al het beeldvormende onderzoek bij het ESRF ten dienste van de paleontologie, valt een meeluisterende collega bij de stand in. En Tafforeau, intussen gepromoveerd, heeft de leiding over het bijbehorende paleontologielab, zegt zij ook nog, terwijl Tafforeau een beetje schaapachtig zijn schouders ophaalt.

Het voordeel van synchrotronstraling is dat de golven in de röntgenbundel synchroon lopen, met elkaar in de pas, ofwel: in fase. Daardoor kan reliëf in de afbeeldingen worden gebracht, terwijl een gewone röntgenfoto alleen een weerslag van de gemiddelde dichtheid in een object geeft.

Het gaat in het synchrotron dus niet om absorptie van de stralen, zoals bij een rechttoe-rechtaan röntgenfoto. Wat telt, is de buiging van röntgenstralen, wanneer ze elektronen passeren die rond de atoomkernen in het materiaal bewegen. De interferentie tussen de synchrone stralen die het materiaal wél ongehinderd passeren en de gebogen stralen zorgt vervolgens voor fasecontrast: het laat zien waar in een object grensvlakken zitten, overgangen van het ene naar het andere materiaal. En dat werkt des te beter, naarmate de bundel beter monochroom (van één golflengte) en synchroon (in de pas lopend) is.

Als een voorwerp 1500 keer wordt belicht vanuit verschillende hoeken (één beeld per 0,12 graden), kan zo met behulp van computertechnieken een rijkgedetailleerd driedimensionaal beeld worden opgebouwd, licht Tafforeau een paar dagen later in een email toe. “Jaarlijks”, schrijft hij verder, “brengen we bij ESRF nu tussen de tweehonderd en duizend objecten uit de paleontologie in kaart. De bijbehorende meettijd per jaar is ongeveer tachtig dagen.”

SUPERSYNCHROON

De

“Bovendien kunnen we vrij snel een groot aantal voorwerpen globaal aftasten”, zegt Tafforeau. In het geval van het barnsteen uit de Charentes waren bijvoorbeeld maar vier dagen nodig om uit ruim zeshonderd stukjes barnsteen – samen een paar kilo zwaar – de 350 interessante kandidaten te vissen. Vijftig insecten zijn de afgelopen maanden gedetailleerd en 3D in kaart gebracht. Tafforeau: “Ik schat dat ongeveer 80 procent daarvan uit nieuwe, niet eerder ontdekte soorten bestaat.”

Maar ook grotere voorwerpen werden de afgelopen jaren bij het ESRF belicht: een mammoetdijbeen, en de schedel van de waarschijnlijk oudste mensachtige, Sahelanthropus tchadenis bijvoorbeeld. En de groep van Tafforeau onthulde in 2007 ook wat verborgen zat in een dinosaurusei. Al naar gelang de gewenste mate van detail (van 0,28 tot 20 micrometer) gebruiken Tafforeau en collega’s daarvoor röntgenbundels met een doorsnee van 0,5 bij 0,5 millimeter tot 40 bij 15 millimeter.

En ja, natuurlijk legt hij ook nog geregeld primatentanden in het harde röntgenlicht, zegt Tafforeau in het Grand Palais. “Ik probeer een derde van mijn tijd te besteden aan onderzoek naar de microstructuur van primatentanden. Eigenlijk komen bijna alle technieken die we nu voor andere fossielen toepassen, voort uit dat werk aan tanden en tandglazuur.” (Zie bijvoorbeeld het Journal of Human Evolution, 28 november 2007)

RONDDRAAIEN

Dan pakt Tafforeau een dertig centimeter lange bij van zacht plastic uit de vitrine en draait hem om en om in zijn handen. Waarom maakt hij van die grote 3d -prints, terwijl er ook zulke mooie virtuele 3d -beelden van al die onooglijke insecten zijn? “Omdat”, zegt Tafforeau, “je een insect, of een ander object, toch het allerbeste kunt bestuderen en doorgronden wanneer je het kunt vastpakken en het kunt ronddraaien in je handen. Deze modellen kunnen we bovendien in een museum tentoonstellen, want aan het oorspronkelijke stukje barnsteen ziet natuurlijk niemand iets.” Terwijl 80 procent van het barnsteen uit de Charentes bijvoorbeeld juist ondoorzichtig is.

“Het speciale”, voegt Tafforeau dan toe, “is trouwens niet per se de ontdekking van nieuwe soorten. Het mooie is vooral dat je een heleboel stukjes steen uit dezelfde tijd en hetzelfde gebied onder de loep kan nemen en daarin heel véél soorten kunt blootleggen. Als we in de toekomst nog sneller kunnen werken, dan kun je met virtuele paleontologie oeroude ecosystemen helemaal in kaart gaan brengen.”