Grillige wetenschap

Natuurkunde

Dan Shechtman won in 2011 de Nobelprijs voor de ontdekking van quasikristallen. Lang werd hij niet geloofd.

Het diffractiepatroon dat ontstaat als een quasikristal van aluminiummangaan met een elektronenbundel wordt doorgelicht

‘Call me Danny”. Nobelprijswinnaar Dan Shechtman (Tel Aviv, 1941) is geen formele man. Hij is net uit het vliegtuig uit Praag gestapt voor een bliksembezoek aan Nederland: vanavond geeft hij een lezing aan de Universiteit Twente over zijn werk aan quasikristallen dat vorig jaar met de Nobelprijs voor Scheikunde werd bekroond. Morgenochtend vliegt hij terug naar Praag waar een Nobel-bijeenkomst is; daarna zijn er andere reizen.

En nee, het is geen probleem dat de verslaggeefster meerijdt in de taxi naar Twente en hoogstwaarschijnlijk dezelfde vragen stelt die anderen hem tijdens al zijn reizen en lezingen ook al stelden. Als ze maar naar de lezing blijft luisteren. “Dan kan je misschien betere vragen stellen”. Bovendien is er dan tijd om het te hebben over andere dingen dan die je elders al kunt lezen. Zoals dat binnenkort in Israël de sieraden worden tentoongesteld die hij maakt.

Maakt hij sieraden? “Kijk, dat is een goede vraag.” Lachje. Shechtman volgde cursussen zilversmeden toen hij een jonge postdoc in Ohio was, vertelt hij. “Mijn vrouw was druk bezig met een master psychologie en ik wilde niet elke avond zomaar thuis zitten, of op het lab. Ik had een geweldige docent. Ik was ongeduldig. Als een echte ingenieur bedacht ik bij elke ring die ik maakte meteen hoe ik er een massaproductieproces voor kon opzetten. Maar zij zei me: rustig aan, Danny. Sieraden moeten zeker een eeuw meegaan, dan moet je er ook tijd in steken. Het was heel kalmerend.” Therapeutisch? “Nee, ik geloof niet dat ik therapie nodig heb.” Meer ontspannend, als yoga? “Ja, zoiets, denk ik. Doe jij aan yoga?”

“Vragen stellen gaat vanzelf”, zegt Shechtman. Hij is nieuwsgierig – hij wil weten. Wie lezen de krant? Met wie praat hij?

Vanavond is hij eregast op een bijeenkomst voor Nederlandse chemici én fysici. Passend, want de eerste internationale conferentie over Shechtmans ontdekking, in Les Houches bij Chamonix in 1986, was een bonte mengelmoes van chemici, fysici, wiskundigen en materiaalkundigen. “We waren met zestig mensen, en we moesten een gemeenschap vormen. Een taal ontwikkelen om dit nieuwe verschijnsel te beschrijven.”

Dat was vier jaar na Shechtmans ontdekking van de quasikristallen. Zijn eenzame jaren waren toen voorbij: er waren steeds meer mensen die in zijn vondst geloofden. Maar helemaal over waren de ‘years of rejection’, zoals hij ze noemt, nog niet. “Ik zal het verhaal vertellen”, zegt hij. “dan kun jij tussendoor vragen stellen.”

Uitgestippelde paden

Dat verhaal van Shechtman begint met een toevallige ontdekking. Shechtman was, net als nu nog, hoogleraar bij het Technion, de Technische Universiteit, in Haifa. En hij was op sabbatical bij het National Bureau of Standards in Maryland bij Washinton. Met geld van DARPA, het bureau van het Amerikaanse ministerie van defensie dat onderzoek sponsort, bestudeerde hij daar legeringen van aluminium en mangaan. Op papier ging het om een zoektocht naar materialen die sterk en licht enzovoorts waren. “Maar mijn contactpersoon bij DARPA zei: Danny, ik ken je, je mag best afwijken van de uitgestippelde paden. Run wild.” Lachje. “Dat zou ik toch wel hebben gedaan, maar het was aardig dat hij het zei.”

En zo bestudeerde Shechtman een legering die sterk noch ‘nuttig’ was. Hij legde onder zijn transmissie-elektronenmicroscoop een preparaat van aluminium met 25 gewichtsprocent mangaan. En noteerde op 8 april 1982 in zijn logboek: ‘10 Fold???’’ Tienvoudig?

Ongelovig constateerde Shechtman die ochtend dat de minuscule aluminiummangaankristallen, slechts enkele duizendste millimeters in doorsnee, een tienvoudige rotatiesymmetrie leken te hebben. Dus elke keer als je zo’n minuscuul kristalletje 36 graden draaide (een tiende van een cirkel) zou het weer samenvallen met zichzelf. Maar zoiets was volgens alle definities van kristallen verboden. Een kristal kon een tweevoudige rotatiesymmetrie hebben (dan valt het met zichzelf samen als je het op zijn kop draait, zoals een speelkaart), een drievoudige (dan valt het met zichzelf samen als je het over 120 graden draait, zoals bij een gelijkzijdige driehoek), een viervoudige én een zesvoudige. Maar andere mogelijkheden waren er niet. “Eyn chaya kazou, zei ik in het Hebreeuws tegen mezelf. Zo’n dier bestaat niet.”

Precies dat zou in de jaren daarna het probleem worden: dat heel veel kristallografen er eveneens van overtuigd waren dat de vondst van Shechtman niet kón bestaan. En vooral: dat ze in tegenstelling tot Shechtman zelf in die overtuiging bleven volharden.

’s Avonds, bij zijn lezing, legt Shechtman nog eens uit hoe dat zo kwam. En passant illustreert hij zo ook waarom de studenten van het Technion in Haifa hem hebben verkozen tot ‘permanent beste docent van het jaar’: stap voor stap neemt hij zijn gehoor mee door de geschiedenis van de kristallografie.

Tot in de negentiende eeuw was dat een wetenschap waarin vooral veel werd vermoed. Kristallen waren te herkennen aan de regelmatige vlakjes aan hun buitenkant, en kristallografen vermoeden dat de inwendige structuur ervan diezelfde regelmaat zou laten zien. Maar echt in een kristal kijken lukte pas vanaf 1912: in dat jaar liet de Duitse fysicus Max von Laue (Nobelprijs voor Natuurkunde, 1914) zien wat er gebeurt als je een kristal doorlicht met röntgenstralen.

Een deel van die röntgenstraling reist gewoon rechtdoor. Maar er is ook een deel dat verstrooit aan de atomen in het kristal. En omdat die atomen in kristallen volgens symmetrische patronen zijn gerangschikt, zorgt óók dat verstrooide röntgenlicht op een fotografische plaat achter het kristal voor een regelmatig patroon van lichtvlekken. Dat vlekkenpatroon is, zo liet Von Laue zien, eigenlijk een spiegelwereld – een ‘reciproke wereld’, waaruit je met niet al te moeilijke wiskunde daarna de inwendige structuur van het kristal kunt afleiden.

In de zeventig jaren tussen 1912 en 1982 zagen honderden en vervolgens duizenden kristallografen in die ‘diffractiepatronen’ telkens weer bevestigd worden wat ze van te voren al dachten. Namelijk dat, zoals handboeken het beschreven, een kristal bestaat uit ‘atomen gerangschikt in een patroon dat zichzelf in drie dimensies door het hele kristal herhaalt’.

Shechtman: “Natuurlijk hadden kristallen verschillende patronen, en uiteenlopende symmetrieën, maar daarvoor werden allerlei ‘laatjes’ bedacht. Trof iemand dan een bepaalde symmetrie, dan kon hij zeggen: oké, dit kristal past in dat-en-dat laatje – laatje weer dicht en klaar.”

Alleen: de vondst van Shechtman paste niet in zo’n laatje – en dat vonden heel veel kristallografen niet te verteren.

Jaren van afwijzing

Zo begonnen de jaren van afwijzing. Tijdens zijn lezing illustreert Shechtman die met een plaat waarop een kleine gevlekte kat voor een lange rij vervaarlijke herdershonden langsloopt. “Kijk”, zegt hij in de taxi. “Ik was volwassen, had al geleefd. Ik was niet totaal uit het lood geslagen. Maar leuk was het niet, zacht gezegd. Ik was alleen.”

Sommige collega’s spotten: is dit nou een professor? Het hoofd van de vakgroep in Maryland legde met een veelbetekenend lachje een handboek voor kristallografie op Shechtmans tafel, ter lezing. Toen Shechtman voet bij stuk hield, werd hij een paar dagen later zelfs verzocht de vakgroep te verlaten. “Wat trouwens minder erg was dan het klinkt, want een andere groep adopteerde me en ik kon in dezelfde kamer gewoon met hetzelfde onderzoek doorgaan.”

Maar toch. Het was niet de enige afwijzing. Ook een wetenschappelijk artikel dat Shechtman een kleine twee jaar later met zijn collega Ilan Blech van het Technion in Haifa over zijn vondst naar het Journal of Applied Physics stuurde, kwam vrijwel onmiddellijk weer terug. De kentering kwam pas toen een kort artikel – met naast Ilan Blech, de vooraanstaande Amerikaanse materiaalkundige Jon Cahn en de Franse kristallograaf Denis Gratias als co-auteur – in november 1984 in Physical Review Letters verscheen. Alles veranderde. “Hell broke loose”, zegt Shechtman. Kristallografen uit de hele wereld reageerden enthousiast.

Wat maakte het verschil? Shechtman: “Het verschil was dat dit keer de experimentatoren reageerden. Zij begrepen wat ik, een hoogleraar en een expert op het gebied van elektronenmicroscopie, had gedaan. De mensen die mijn resultaten afwezen, begrepen dat niet. Het waren theoretici, en ze wezen mijn resultaten niet af omdat ze mijn experimenten hadden herhaald en hadden laten zien dat er iets niet klopte. Ze wezen ze af omdat ze niet in de boeken stonden.”

Volgens die boeken zou in een kristal hetzelfde patroon zich immers eindeloos in drie dimensies moeten herhalen. Maar een patroon met een tienvoudige (of vijfvoudige, zoals het later eigenlijk bleek te zijn) symmetrie doet dat niet. Zo’n patroon duikt wel telkens in het kristal op, zodat het kristal overal ongeveer hetzelfde lijkt, maar het herhaalt zich niet exact. Als je zo’n kristal over een symmetrie-as roteert, of het verschuift, valt het daardoor daarna nooit volledig metzichzelf samen – zoals een ‘echt kristal’ wel doet.

Het is een les die Shechtman nog altijd aan studenten doorgeeft: een goede onderzoeker is vasthoudend. “Als je op een vreemd resultaat stuit, moet je je daar als een rottweiler in vastbijten. Niet loslaten. Willen weten hoe het zit. En in jezelf blijven geloven.”

Dat kan natuurlijk alleen als je eerst een expert bent geworden, vertelt Shechtman er bij. Niet zomaar iemand die met een elektronenmicroscoop kan werken bijvoorbeeld, maar iemand die de techniek helemaal in de vingers heeft. Een professional, die zijn resultaten kan vertrouwen.

Triviale verklaringen

Tijdens de taxirit zet hij uiteen hoe hij al op de ochtend van 8 april allerlei extra metingen deed om andere, triviale verklaringen voor zijn vondst uit te sluiten. Hij schoof de kristalletjes bijvoorbeeld onder een nauw gefocusseerde elektronenbundel door en constateerde dat de vreemde tienvoudige rotatiesymmetrie in elk punt ervan opdook. Het was dus geen optelsom van verschillende symmetrieën op verschillende plekken die samen tot een – schijnbare – tienvoudige symmetrie leiden.

Met andere metingen sloot hij uit dat het om het verschijnsel ‘twinning’ ging. In dat geval zorgt een aggregaat van minuscule kristalvlakjes met speciale oriëntaties ten opzichte van elkaar, alweer, voor een schijnbare tienvoudige symmetrie. “Zelf wist ik zo na vier uur meten al: dit is echt.”

De International Union of Crystallography (IUCr) zwichtte pas toen Japanse en Franse onderzoekers in 1987 quasikristallen maakten die groot genoeg waren om ze met röntgenstralen door te lichten. Ze lieten hetzelfde patroon zien als Shechtman eerder vond met de minder precieze transmissie-elektronenmicroscoop (waarin elektronen de rol van de röntgenstralen hebben).

Shechtman: “Now we’re talking”, zeiden ze, toen ik die afbeeldingen op een congres in Perth in Australië liet zien.” Tegelijkertijd is de ironie dat de vondst met die precieze röntgenstralen nooit gedaan had kunnen worden. Shechtman: “In onze kleine kristalletjes kon je met röntgenstralen niks beginnen. Maar: grotere quasikristallen zouden nooit gemaakt zijn, als ze niet eerst in het klein waren ontdekt.”

De nieuwe definitie van kristallen die de IUCr vervolgens in 1991 vaststelde, gaat uit van wat de metingen tonen (het diffractiepatroon) en doet geen beperkende veronderstellingen meer over periodiciteit (het zich herhalen van steeds hetzelfde patroon). “Open en bescheiden”, noemt Shechtman die definitie. “Zoals de wetenschap moet zijn.”

En nee, vertelt hij ook, de weerstand was na 1991 niet helemaal verdwenen. Tweevoudig Nobelprijswinnaar Linus Pauling (twee keer Chemie), die de ‘godfather’ van de Amerikaanse scheikunde was, hield tot zijn dood in 1994 vol dat Shechtman het bij het verkeerde einde had. Dat het om twinning ging. En dat er ‘geen quasikristallen bestaan, alleen quasi-wetenschappers’. “Maar ja”, zegt Shechtman nu, met eindelijk zelf een Nobelprijs op zak. “Het was wetenschappelijke rivaliteit, geen persoonlijke vete. We konden ook gezellig met elkaar praten.”

    • Margriet van der Heijden