Een microscopisch kwartscilindertje dat gevangen zit in een laserstraal kan als gevoelige detector gebruikt worden. Bijvoorbeeld voor de detectie van biologische moleculen of virussen in een vloeistofstroom.
Delen
Optische biodetector
Onderzoekers Dr. Francesco Pedaci en Prof.dr. Nynke Dekker publiceren hun ontdekking vandaag in Nature Physics. Het onderzoek vond plaats bij het Kavli-instituut voor Nanowetenschappen bij de faculteit Technische Natuurwetenschappen en werd betaald door FOM in het kader van het programma ‘DNA-in Action – Physics of the Genome’.
Het draait allemaal om een cilindertje van 1 micrometer lang en met een iets kleinere diameter. Het is gevangen in een gefocuste laserstraal die langs de lengteas van de cilinder gericht is. Dat is niks bijzonders, zegt Pedaci over de telefoon. Zo’n in licht gevangen cilindertje heet bij de onderzoekers een optisch pincet.
Wel bijzonder is dat de twee helften van de cilinder een iets andere brekingsindex hebben. Het gevolg daarvan is dat het scheidingsvlak tussen die helften (onderzoekers noemen dat de ‘extraordinary axis’ of ‘bijzondere as’) zich richt naar de polarisatierichting van het laserlicht.
Die eigenschap biedt onderzoekers de mogelijkheid om het microsopische cilindertje contactloos te draaien door eenvoudigweg de polarisatie van het licht te laten draaien. Volgens Pedaci gaat dat goed, en volgt het cilindertje braaf tot ongeveer honderd omwentelingen per seconde. Dat gaat ook nog goed als het cilindertje stilstaat in een passerende vloeistofstroom.
Interessant wordt het eigenlijk pas als een passerend deeltje in de stroom het cilindertje verstoort. Deeltjes in de orde van een micrometer groot doen dat al – ook op enige afstand. “Ze hoeven er niet tegenaan te botsen”, verduidelijkt Pedaci.
Verstoring van het kwartscilindertje houdt in dat de cilinder even niet de draaiing van het gepolariseerde laserlicht volgt, maar dat de optische koppeling even een halve slag ‘slipt’. En dat is goed zichtbaar te maken met een grote piek in de uitlezing.
Het voordeel van de methode is volgens Pedaci de grote gevoeligheid. “Het is een binaire methode: je hebt geen verstoring of er is er wel een.” Dat biedt voordelen boven andere methoden die lineair reageren en bij een kleine verstoring ook een klein signaal geven. Misschien zijn enkele DNA-strengen ermee te detecteren. Het nadeel van de methode is natuurlijk dat er geen onderscheid valt te maken tussen grote en kleine passerende deeltjes in de stroom.
In de woorden van Pedaci: “We gaan nog werken aan de calibratie.” Toch is alvast wel een patent aangevraagd op de detectiemethode met het optische pincent. Pedaci denkt dat de methode goedkoop in te zetten is als ook de kwartscilindertjes goedkoop gemaakt kunnen worden. “Uit één wafer zijn er een miljard te maken.”
F. Pedaci, Z. Huang, M. van Oene, S. Barland, N.H. Dekker, Excitable Particles in an Optical Torque Wrench, Nature Physics, 19 december 2010.
De auteur begint met een discussie over de belangrijkste hulpmiddelen van de constructeur en de belangrijkste oorzaken van calamiteiten zoals ouderdom, natuurlijke oorzaken en constructieve fouten. Hij komt daarbij tot de conclusie dat te laag voorgeschreven belastingen zelden de oorzaak zijn terwijl de voorschriften in omvang en opzet steeds complexer zijn geworden. Als voorbeeld geeft hij de voorschriften voor de windbelasting. Tussen 1972 en nu zijn die gegroeid van tien naar 163 pagina’s, terwijl de schaalvergroting in de bouw, instortingen of schades dit niet rechtvaardigen. De grotere complexiteit kan zelfs een tegengesteld effect hebben.
Na het instorten van het parkeerdak van hotel Van der Valk in Tiel, het dak van Ikea in Amsterdam en het balkon van Patio Sevilla in Maastricht zijn allerlei commissies ingesteld om te evalueren welke lessen uit de recente instortingen getrokken moesten worden. Hieruit kwam het voorstel voor de aanstelling van een hoofdconstructeur naar voren die verantwoordelijk is voor het gehele bouwtraject. Dit werd echter niet door alle partijen in de bouw ondersteund en kon niet publiekrechtelijk vastgelegd worden. Daardoor is dit voorstel naderhand afgezwakt.
De auteur behandelt 26 (bijna) instortingen. Hij begint met de scheefstand van de toren van Pisa en eindigt met het bezwijken van de Werftrap in Utrecht.
Dramatisch is natuurlijk de instorting van de Twin Towers in New York doordat er een Boeing 767 in vloog. Dit terwijl de kracht van de botsing kleiner was dan de maximale windbelasting waarop de gebouwen zijn berekend en de gebouwen bovendien berekend waren op een inslag van een Boeing 707 op kruissnelheid. Van Herwijnen staat uitgebreid stil bij de officiële lezingen van de oorzaak van de instorting maar besteedt ook aandacht aan de kritiek hierop en waarnemingen die hier niet mee overeenstemmen. Veel vragen zijn bij deze instorting nog onbeantwoord gebleven. Vandaar dat nog steeds wordt aangedrongen op het instellen van een onafhankelijke internationale commissie van deskundigen vanuit verschillende disciplines.
Naast bovengenoemde zeer bekende gevallen komen diverse andere instortingen aan de orde zoals de Tacoma Narrows Bridge (1940), de woontoren Ronan Point (1968), de Millennium bridge in Londen (2000) en de terminal 2E van de luchthaven Charles de Gaulle, Parijs (2004).
Bij ieder project wordt de constructie beschreven, de wijze en omstandigheden voor en tijdens de instorting, de oorzaak en de lessen die eruit geleerd kunnen worden. Vaak is het een combinatie van factoren waarbij de menselijke factor een maatgevende rol speelt. Dit boek met veel illustraties is dan ook een ‘must’ voor iedere architect en constructeur maar is ook bijzonder interessant voor eenieder die geïnteresseerd is in techniek.
Prof.dr.ir Jaap Wardenier is emeritus-hoogleraar gebouwen en civieltechnische constructies van de faculteit Civiele techniek en Geowetenschappen.
F. van Herwijnen, ‘Leren van instortingen – waarom bruggen en gebouwen soms instorten en hoe dat is te voorkomen!’ Bouwen met Staal, € 37,50.
Optische biodetector
Onderzoekers Dr. Francesco Pedaci, MSc. Zhuangxiong Huang en Prof.dr. Nynke Dekker publiceren hun ontdekking vandaag in Nature Physics. Het onderzoek vond plaats bij het Kavli-instituut voor Nanowetenschappen bij de faculteit Technische Natuurwetenschappen en werd betaald door FOM in het kader van het programma ‘DNA-in Action – Physics of the Genome’.
Het draait allemaal om een cilindertje van 1 micrometer lang en met een iets kleinere diameter. Het is gevangen in een gefocuste laserstraal die langs de lengteas van de cilinder gericht is. Dat is niks bijzonders, zegt Pedaci over de telefoon. Zo’n laserstraal waarin een cilindertje gevangen kan worden heet bij de onderzoekers een optisch pincet.
Wel bijzonder is dat de cilinder uit materiaal (kwarts) bestaat dat een dubbele brekingsindex heeft: anders gezegd, langs twee verschillende assen is de brekingsindex niet gelijk. Het gevolg daarvan is een van de twee assen (onderzoekers noemen dat de ‘extraordinary axis’ of ‘bijzondere as’) zich zal richten naar de polarisatierichting van het laserlicht.
Die eigenschap biedt onderzoekers de mogelijkheid om het microscopische cilindertje contactloos te draaien door eenvoudigweg de polarisatie van het licht te laten draaien. Volgens Pedaci gaat dat goed, en volgt het cilindertje braaf tot ongeveer honderd omwentelingen per seconde. Dat gaat ook nog goed als het cilindertje stilstaat in een passerende vloeistofstroom.
Interessant wordt het eigenlijk pas als een passerend deeltje in de stroom het cilindertje verstoort. Deeltjes in de orde van een micrometer groot doen dat al – ook op enige afstand. “Ze hoeven er niet tegenaan te botsen”, verduidelijkt Pedaci.
Verstoring van het kwartscilindertje houdt in dat de cilinder even niet de draaiing van het gepolariseerde laserlicht volgt, maar dat de optische koppeling even een halve slag ‘slipt’. En dat is goed zichtbaar te maken met een grote piek in de uitlezing.
Het voordeel van de methode is volgens Pedaci de grote gevoeligheid. “Het is een binaire methode: je hebt geen verstoring of er is er wel een.” Dat biedt voordelen boven andere methoden die lineair reageren en bij een kleine verstoring ook een klein signaal geven. Misschien zijn enkele DNA-strengen ermee te detecteren. Het nadeel van de methode is natuurlijk dat er geen onderscheid valt te maken tussen grote en kleine passerende deeltjes in de stroom.
In de woorden van Pedaci: “We gaan nog werken aan de calibratie.” Toch is alvast wel een patent aangevraagd op de detectiemethode met het optische pincent. Pedaci denkt dat de methode goedkoop in te zetten is als ook de kwartscilindertjes goedkoop gemaakt kunnen worden. “Uit één wafer zijn er een miljard te maken.”
F. Pedaci*, Z. Huang*, M. van Oene, S. Barland, N.H. Dekker, Excitable
Particles in an Optical Torque Wrench, Nature Physics, 19
december 2010.
* = gelijke bijdragen
Comments are closed.