Icon up Overzicht

Daan Frenkel

Onderwerp: Gebruik van computer bij natuurkunde, Materiaalonderzoek

Op donderdag 15 juni interviewden Roderick Knuiman en Ramy El-Dardiry professor Daan Frenkel, hoogleraar macromoleculaire simulaties aan de Universiteit van Amsterdam en computationele fysische chemie aan de Universiteit Utrecht, als onderdeel van de interviewreeks met Spinozapremiewinnaars.

Zou u kunnen uitleggen waar u zich in de natuurkunde mee bezig houdt?

Wat me interesseert is om te begrijpen waarom stoffen zich gedragen zoals ze zich gedragen. Als je namelijk weet dat stoffen uit atomen en moleculen bestaan, dan heb je nog betrekkelijk weinig inzicht in de eigenschappen van stoffen die bestaan uit miljarden atomen en moleculen. De krachten die tussen atomen en moleculen werken kunnen tot drastische verschillen leiden. Als de kracht tussen de deeltjes heel zwak is krijg je een gas, als ze sterker zijn een vloeistof, en onder bepaalde omstandigheden krijg je een vaste stof. Daarnaast zijn er nog veel meer mogelijke verschijnselen: stoffen die bijvoorbeeld ergens tussen kristallijn en vloeistof inzitten, vloeibare kristallen genoemd. Vloeibare kristallen zijn vaak in de displays van digitale horloges te vinden. Wat we willen onderzoeken is of we op grond van de vorm van de moleculen en de krachten ertussen kunnen voorspellen wat voor fase of aggregatietoestanden (samenklonteringen) zich zullen voordoen en hoe snel de overgang van de ene fase naar de andere zal optreden. Een typisch voorbeeld van wat we proberen te begrijpen is waarom het mogelijk is dat je een vloeistof kunt verhitten tot boven het kookpunt voordat het echt gaat koken en af kunt koelen tot onder het vriespunt voordat het echt gaat vriezen.
Daarbij moet ik wel toevoegen dat de systemen waar we in praktijkexperimenten naar kijken meestal macromoleculen zijn of colloïden die uit zoiets als een miljard atomen bestaan. Het zijn dan bijvoorbeeld bolletjes, staafjes of plaatjes van de orde van grootte van bijna een duizendste millimeter. Als je die deeltjes in oplossing brengt, dan bewegen ze op dezelfde ‘willekeurige’ manier als atomen en moleculen zouden doen. Daarnaast kunnen ze ook dezelfde fasen vertonen, dus ze kunnen ook een gas of een vloeistof vormen.

 

Bij het onderzoek wat u doet maakt u veel gebruik van computersimulaties. Is de rol van computers in de natuurkunde in de afgelopen decennia steeds groter geworden?

Ik denk het wel. Toen men de computer voor onderzoek ging gebruiken, dit was zo ongeveer in 1954, gebruikte men de computer om berekeningen te doen die niet zo makkelijk met pen en papier te doen waren. Daarna kwam men erachter dat het in sommige gevallen gemakkelijker was om, in plaats van de computer te gebruiken om complexe, theoretische formules uit te rekenen, direct de bewegingen van de deeltjes te simuleren en te volgen. Het enige wat je er dan instopt zijn de bewegingsvergelijkingen van Newton en informatie over de krachten tussen de deeltjes. Vervolgens reken je uit wat voor structuur je krijgt en wat de eigenschappen van de structuur zijn.
Computersimulaties worden ook steeds meer gebruikt om theorieën te testen. Je hebt bijvoorbeeld een theorie over het smelten van een stof. Dan heb je als input de krachten tussen de deeltjes, die op zich meestal redelijk goed bekend zijn, en probeer je vervolgens met die theorie het smeltpunt van bijvoorbeeld water theoretisch te berekenen en tegelijkertijd te simuleren. Als de theorie dan voorspelt dat water smelt bij bijvoorbeeld 337 ˚C terwijl de simulaties zeggen dat het bij 0 ˚C gebeurt, dan weet je dat er iets mis is met de theorie. Dat soort toepassingen van computersimulaties, waarin je computersimulaties als een soort van toets voor theorieën gebruikt, die noem je computerexperimenten.

Is het met zo’n sterke ontwikkeling van de computer de afgelopen tijd nog wel nodig om supercomputers te hebben, of zou je met een normale pc al wetenschappelijk onderzoek kunnen doen?

Ik denk dat dat gedeeltelijk wel kan. Als je kijkt naar de ontwikkelingen bij computerberekeningen dan is er ten eerste een waanzinnige groei geweest in het computervermogen. Ook zijn er op sommige gebieden ongelooflijk grote winsten behaald door het ontwikkelen van nieuwe algoritmes. Het gevolg daarvan is dat je tegenwoordig met sommige algoritmes berekeningen kunt doen op je rekenmachine, die je vroeger niet eens met een toenmalige supercomputer zou kunnen doen, of zelfs niet met een huidige supercomputer met het oude algoritme. Er zijn heel veel berekeningen waar je helemaal geen supercomputers voor nodig hebt, maar er zijn ook veel computerberekeningen die we met huidige supercomputers nog lang niet kunnen doen. Het simuleren van alle moleculen in een bacterie of een cel voor een aantal minuten zijn hier voorbeelden van.

Er zijn dus heel duidelijk grenzen aan wat we met de computer kunnen bereiken?

Er zijn grenzen aan wat je met de computer kunt bereiken met brute kracht. Echter, als je berekeningen doet aan atomen ga je ook niet meenemen dat de kern uiteindelijk bestaat uit quarks. Dat is voor bijna alle eigenschappen niet belangrijk, omdat de kern is opgebouwd uit neutronen en protonen en voor heel veel van de chemische eigenschappen zal zelfs dat niet belangrijk zijn. Dan stel je de kern voor als een pit met een lading. Voor moleculen weten we dat er atomen inzitten, maar voor heel veel van de eigenschappen van moleculen kun je moleculen ook als een bolletje voorstellen. Die stapsgewijze vereenvoudiging die steeds verder gaat, waarin je op grond van het lagere niveau berekent wat de eigenschappen zijn van het hogere niveau, maar daarna vergeet over het onderliggende niveau, heet coarse graining.

Tegenwoordig wordt de computer door de jeugd vooral gebruikt voor allerlei doeleinden als chatten en spelletjes? Doet u daar ook vrolijk aan mee?

Nou, ik gebruik gewoon e-mail natuurlijk. Meer dan me lief is trouwens, jaarlijks krijg ik afgezien van spam toch iets van 6000 e-mailtjes binnen. En als ik iets wil weten over een onderwerp waar ik niets van afweet, dan gebruik ik gewoon google of wikipedia. Waarom zou je naar de bibliotheek gaan, als je een heel goede kans hebt dat je de meest relevante informatie binnen tien seconden op internet hebt gevonden? Daarnaast heb je natuurlijk dingen als skype, wat gewoon ontzettend handig is als je duur te bereiken bent. Maar wat betreft chatten zou ik zeggen nee.

Waarom heeft u na de middelbare school gekozen voor fysische chemie?

Ik heb veel zitten twijfelen. Ik dacht eigenlijk eerst dat ik astronomie zou studeren. Daarna dacht ik aan archeologie. Weer daarna dacht ik aan natuurkunde, maar toen zei mijn vader dat natuurkunde veel te moeilijk was. Hijzelf had medicijnen gestudeerd, maar voor zijn studie had ie besloten samen met een vriend van school nog een wiskundeboek door te werken. Hij vond dat als je medicijnen studeert dat je toch wel eerst goed je wiskunde moest kennen. Toen hij en zijn vriend het wiskundeboek doorwerkten, merkte hij al gauw dat hij die jongen gewoon niet meer bij kon houden. Nou is het wel zo dat die vriend de beroemde natuurkundige Abraham Pais bleek te zijn, niet helemaal het perfecte calibratieniveau zullen we maar zeggen, maar daardoor was mijn vader ervan overtuigd dat alle natuurkundigen zo slim waren. Dus toen ben ik uiteindelijk scheikunde gaan studeren. Daarna kwam ik erachter dat ik de natuurkundige kant van de chemie het leukste vond, maar sindsdien zie ik het onderscheid niet meer zo zwart/wit.

U heeft zelf ook een deel van uw Spinozapremie geïnvesteerd in natuurkunde.nl, heeft dit enigszins effect gehad?

Ik kan ik dat niet goed beoordelen. Het is wel zo dat ik soms van mensen hoor dat ze op de hoogte zijn van de site en dat er blijkbaar ook wel gebruik van wordt gemaakt, maar het is heel moeilijk om bij die dingen te meten wat het werkelijk effect ervan is. Ik denk dat in het algemeen er gewoon een groot probleem is met het doordringen tot de middelbare school. Wat je op het ogenblik heel sterk merkt is natuurlijk dat in de afgelopen twintig jaar de samenstelling van het lerarencorps ontzettend is veranderd. Toen ik op school zat waren eigenlijk alle leraren in ieder geval afgestudeerd in hun vak, en heel veel leraren in exacte vakken waren ook nog gepromoveerd. Dat betekende dat die mensen bij wijze van spreken niet alleen wisten wat er in het boek stond, maar ook een redelijk idee hadden wat er speelde in hun eigen vakgebied op dat moment. Op het moment dat je leraren krijgt die een lerarenopleiding hebben gehad dan kunnen het didactisch heel goede mensen zijn, maar over het algemeen is er dan weinig kijk op wat het vakgebied eigenlijk inhoudt en dat kan soms een saaie indruk aan de scholieren geven. Het einde van het boek is nog lang niet het einde van het vak, maar die indruk krijgen scholieren soms wel.

Gaan uw eigen promovendi wel eens aan de slag op een middelbare school?

Nee, ook niet. Er is een aantal factoren waarom dat niet gebeurt. Ten eerste is het in de jaren tachtig systematisch minder aantrekkelijk gemaakt om in het onderwijs te gaan. Salarissen zijn bevroren en als je omhoog wilt gaan moet je in het management gaan. Dan kun je didactisch wel heel goed zijn of heel goed in je vak, maar dan kun je niet een positie bereiken die vergelijkbaar is met een onderzoeker of een universitair docent. De status van leraren is dus afgenomen en tegelijkertijd het vak zwaarder geworden. Er is ook voortdurend veranderd en dat is het onderwijs niet ten goede gekomen. Ik heb daar zelf een vrij extreme mening over.
In Nederland, en niet alleen in Nederland, zijn er wetten die het gebruik van proefdieren in de meeste experimenten heel sterk regelen. Je moet het voorgestelde experiment altijd eerst aan een ethische commissie voorleggen en uitleg geven wat het doel van het experiment is. Als je gaat kijken naar experimenten op mensen, dan zijn de regels nog veel strenger. Dan moet het altijd op basis van vrijwilligheid zijn, de mensen moeten er altijd op ieder moment uit kunnen stappen, je moet aannemelijk kunnen maken dat het geen schade aanricht en het mag niet zo zijn dat je het individu opoffert voor een of ander “groter” belang. En als het gaat om kinderen en mensen die wilsonbekwaam zijn dan is de regel: ‘niet tenzij’, dus in principe nee. De onderwijshervormingen in Nederland van de afgelopen veertig jaar, vanaf de Mammoetwet, zijn in mijn ogen één groot ongecontroleerd experiment op miljoenen kinderen, waar geen keuze bij mogelijk was: ze konden er niet uitstappen. Volgens mij is het gewoon een grote misdaad geweest. Je kunt als je het onderwijs gaat hervormen niet gewoon zeggen: ‘Jullie moeten dit doen en we zien later wel wat het gaat betekenen voor jullie carrière’. Als je gaat kijken naar de vaardigheden van studenten in de bètavakken, dan heeft het in ieder geval niet geholpen dat in de eerste paar jaar van het middelbaar onderwijs en een gedeelte van de basisvorming de hele abstractie er uit is gehaald. Dat is iets dat de betere leerling later nog wel een beetje kan inhalen, maar de anderen missen drie essentiële jaren en daar zien we nou heel veel van. Nu is het heel moeilijk terug te draaien want het hele onderwijs, het lesmateriaal en de docenten zijn er helemaal op ingesteld om abstractie in die fase zoveel mogelijk weg te werken. Voor onze vakken is dat catastrofaal.
Naast het wegwerken van de abstractie is er een grote nadruk komen te liggen op heel veel schrijven en heel veel sommetjes maken. ‘Je moet niet alleen de sommetjes goed kunnen maken, maar je moet ook nog wel een beetje tempo kunnen maken’. Ik heb nog nooit meegemaakt dat ik hier met een promovendus zit en dat hij of zij iets uitlegt en dat ik iets zeg of denk als: ‘Ja, maar nou wel een beetje sneller!’. Dat gaat gewoon helemaal tegen het idee van ons vak in.
Het was vroeger zo dat als je een beetje gevoel hebt voor wiskunde en natuurkunde, dat je eigenlijk bij iedere repetitie ter plekke kon uitwerken wat je nodig had als je maar genoeg tijd had. Die situatie was voor heel veel mensen niet goed te verteren: dat je een aantal kinderen had die gewoon zonder te werken inderdaad steeds maar hoge cijfers haalden. ‘Is dat zo erg dan?’ vraag ik mij af. Tegenwoordig loont die vaardigheid op school niet meer, het wordt meer gezien als iets wat eigenlijk niet zou mogen, wat niet eerlijk is ten opzichte van de anderen. Dus dan moeten er in ieder geval lange essay-achtige teksten in de boeken staan. Vroeger waren wiskundeboeken gewoon dunne schriftjes, waar de kern in stond.
En als ik nou toch controversiële dingen zeg: als de Arbo-dienst ooit serieus zou kijken naar het middelbaar onderwijs dan zouden ze gewoon al dat lesmateriaal verbieden, omdat het gewoon heel veel kinderen serieuze rugklachten bezorgt. Middelbare school en de onderwijshervormingen van de afgelopen veertig jaar zijn volgens mij volstrekt misgegaan.

Op uw computer heeft u een afbeelding van de natuurkundige Boltzmann, is dat een persoonlijke held van u?

Ja, ja Boltzmann vind ik fantastisch! Boltzmann is een van de grondleggers van de statistische mechanica. Het was ook de man die in het einde van de 19e eeuw voor de atoomhypothese vocht. Het gekke is dat als men daar op het ogenblik over praat, dat men altijd zegt dat Boltzmann een moderne kijk op de zaak had, namelijk dat atomen en moleculen dingen zijn die echt bestaan en dat ze de beste omschrijving van de natuur oplevert. In zijn tijd keek men er echter helemaal niet zo tegenaan, want eerder in de 19e eeuw, in de tijd van Maxwell en Van der Waals, was het zo dat heel veel mensen modellen gebruikten waar atomen en moleculen in voorkwamen. Tegen het einde van de 19e eeuw hadden natuurkundigen als Mach en Ostwald het idee dat de atoomhypothese een beetje kinderachtig was. Tekeningen van C’tjes en H’tjes en het idee dat het echte dingen zijn, terwijl er helemaal geen enkele aanwijzing voor was. Het enige dat reëel was waren grootheden als energie en velden, en daarmee moest je de natuur beschrijven vonden zij, niet met een soort van Mickey-Mousemodellen van moleculen. Boltzmann had dus eigenlijk de indruk dat hij de laatste verdediger was van het oude gedachtegoed, in plaats van dat hij het begin was van een soort moderne kijk. Men dacht dus gewoon dat hij tegen de moderne tijd inging. Hij kijkt ook wat streng op de foto.

Foto van het borstbeeld van Ludwig Boltzmann met daarboven zijn beroemde formule over entropie.

Links

De huidige website van professor Frenkel bij de University of Cambridge.

Informatie over professor Frenkel is hier te vinden: bij de NWO Spinozapremie winnaars van 2000.