Minerva-Prijs 2000 voor Dijkstra en Venema

Uit de 27 inzendingen blijkt volgens de jury van de Minerva-Prijs dat vrouwen over het hele spectrum van de fysica goed zijn vertegenwoordigd. Daarmee voldoet de prijs ruimschoots aan zijn doel: vrouwelijke onderzoekers in de fysica meer zichtbaarheid geven. Een veelgehoorde klacht in de bètawetenschappen is immers 'dat er nu eenmaal geen vrouwen zijn'. De tweejaarlijkse Minerva-Prijs is vorig jaar ingesteld. Aan het eerbetoon is voor beide winnaressen een geldbedrag van tienduizend gulden verbonden.

Dijkstra (32) krijgt de prijs voor een artikel over theoretisch onderzoek in het gerenommeerde Physical Review E (zie Bijlage). Zij ontwikkelde een model dat eindelijk verklaart hoe hele kleine en hele grote harde bollen mengen, als zij elkaar niet onderling aantrekken of aanstoten.
Dijkstra studeerde zowel chemische technologie aan Wageningen Universiteit als natuurkunde aan de Universiteit Utrecht. In september 1994 promoveerde ze bij prof.dr. Daan Frenkel op onderzoek dat ze had gedaan in het FOM-Instituut voor Atoom- en Molecuulfysica AMOLF. Vervolgens werkte ze als postdoc aan Oxford University, als onderzoeker bij Shell en als postdoc aan Bristol University. Sinds september 1999 is zij universitair docent aan het Debye Instituut van de Universiteit Utrecht.

Venema (26) ontvangt de prijs voor een artikel over experimenteel onderzoek aan koolstof nanobuisjes in het prestigieuze wetenschapsblad Science (zie Bijlage). Zij demonstreert hierin dat metallische koolstof nanobuisjes heel mooie ééndimensionale geleiders zijn. Daarmee bracht zij als eerste afzonderlijke golffuncties van elektronen in een ééndimensionaal systeem in beeld.
Venema studeerde technische natuurkunde aan de Rijksuniversiteit Groningen en promoveerde op 11 januari bij prof.dr. Cees Dekker aan de Technische Universiteit Delft.

Het FOm/v-programma, met een budget van vijf miljoen gulden, is in december 1998 ingesteld om meer vrouwelijke natuurkundigen te behouden voor de Nederlandse fysica. Vrouwen maken sinds het studiejaar 1992/1993 rond de 10 procent van het aantal afstuderende (technisch) fysici uit. Ook het aandeel vrouwen onder de onderzoekers in opleiding (oio's) bij FOM ligt de afgelopen jaren boven de 10 procent. Hiervan vervolgen er echter slechts 27 procent hun carrière als postdoc, tegen 39 procent van de mannen. Van de honderd wetenschappers in vaste dienst bij FOM zijn er maar twee vrouw.
Bij het FOm/v-programma staan flexibiliteit en maatwerk voorop. Het biedt onder meer ruimte voor de financiering van onderzoeksvoorstellen en tijdelijke wetenschappelijke posities.
De Stichting voor Fundamenteel Onderzoek der Materie stimuleert, coördineert en financiert fundamenteel onderzoek in de natuurkunde. Zij heeft 950 medewerkers in dienst, waarvan 325 onderzoekers in opleiding en 100 postdocs.

Onder Over FOM, Netwerken binnen FOM leest u meer over het FOm/v-programma.

Phase diagram of highly asymmetric binary hard-sphere mixtures
Marjolein Dijkstra, René van Roij en Robert Evans
Phys. Rev. E 59 (1999) 5744-5771
(download het artikel als pdf bij Bijlage)

Mengsels vormen een voor menige industrie relevant onderwerp van studie. Margarinefabrikanten zijn bijvoorbeeld geïnteresseerd in de vraag hoeveel (goedkoop!) water ze in hun margarine kunnen stoppen, zonder dat dit bovenop de boter komt te liggen. De verfindustrie wil weten hoe ze homogene, goed mengbare en niet klonterende verf kan maken.
Bij het onderzoek naar menggedrag wordt er meestal vanuit gegaan dat mengsels van deeltjes A en B kunnen ontmengen, omdat A en B elkaar afstoten, terwijl A en A, en B en B elkaar juist aantrekken. Dit ontmengingmechanisme speelt bijvoorbeeld een rol bij olie en water: de oliemoleculen stoten de watermoleculen af.
Een interessante vraag is of ontmenging ook kan optreden louter en alleen omdat A en B in grootte verschillen, zonder dat sprake is van afstoting tussen A en B. In bijvoorbeeld een mengsel van biljartballen en knikkers bestaan geen aantrekkende of afstotende krachten. Ze sluiten echter wel ruimte voor elkaar uit: waar een biljartbal zit kan geen knikker zitten.
Volgens een theorie uit 1964 is een dergelijk mengsel van grote en kleine harde bollen in de vloeistoffase in alle verhoudingen mengbaar. In 1991 volgde uit een verbeterde theorie dat ontmenging optreedt vanaf het moment dat de grote bollen vijf keer zo groot zijn als de kleine bollen. Latere theorieën spraken dit ontmenggedrag echter weer tegen.
Probleem was dat de uitkomsten van de verschillende theoretische modellen te zeer werden beïnvloed door de noodzakelijke benaderingen. De resultaten van experimenteel onderzoek werden vertroebeld door de zwaartekracht. Computersimulaties waren onmogelijk omdat die nooit tot een evenwichtstoestand leidden.
Dijkstra slaagde er door een slimme combinatie van theorie en simulaties toch in het probleem definitief te kraken. Uit haar model blijkt dat mengsels van grote en kleine harde bollen in de vloeistoffase inderdaad 'ontmengen', en wel als hun grootteverhouding minstens tien is. Gedurende die ontmenging vindt echter nóg een scheiding plaats: de grote bollen kristalliseren tot een vaste fase en daarnaast ontstaat een gasfase van voornamelijk kleine bollen. Dankzij het model van Dijkstra is nu duidelijk waarom de eerdere theoretische modellen niet voldeden. Bovendien zijn ook de experimentele resultaten ermee in overeenstemming.

Imaging electron wave functions of quantized energy levels in carbon nanotubes
Liesbeth Venema, Jeroen Wildöer, Jorg Janssen, Sander Tans, Hinne Temminck Tuinstra, Leo Kouwenhoven en Cees Dekker
Science 283 (1999) 52-55
(download het artikel als pdf bij Bijlage)

Koolstof nanobuizen zijn holle draadjes van koolstof, alsof een laagje grafiet van één atoom dik is opgerold. Ze staan zeer in de belangstelling omdat ze uitzonderlijke elektronische eigenschappen hebben. Eén buisje kan worden beschouwd als één molecuul. Vanwege hun afmetingen, de doorsnede is slechts een enkele nanometer (miljoenste van een millimeter), worden de koolstof draadjes vaak nanobuizen genoemd.
Afhankelijk van de manier waarop de laag grafiet is opgerold, heeft de koolstofbuis de eigenschappen van een metaal of van een halfgeleider. Dat maakt koolstofbuizen in elektrisch opzicht interessant.
In het prijswinnende artikel demonstreert Venema dat een metallisch koolstof nanobuisje een heel mooie ééndimensionale geleider is. Een elektron in een koolstof nanobuis is als het ware 'opgesloten' in de lengterichting van de buis. Op deze schaal gedragen elektronen zich niet meer als deeltje, maar als quantumdeeltje: ze hebben een golfkarakter.
In de meeste andere ééndimensionale systemen worden die elektrongolven al binnen een afstand van enkele atomen verstoord. In metallische koolstof nanobuizen blijken ze echter te bestaan over aanzienlijke afstanden, tot wel eenduizendste millimeter.
Venema is de eerste die afzonderlijke golffuncties van elektronen in een ééndimensionaal systeem in beeld heeft weten te brengen. Zij maakte hiervoor gebruik van een ultragevoelige STM, een scanning tunneling microscoop.
Een STM-'opname' werd gemaakt door de stroom te meten als functie van de spanning tussen de tip van de microscoop en een klein stukje van het buisje. Hierbij bleek de stroom stapsgewijs toe te nemen. Deze stappen correspondeerden met de verschillende energieniveaus die voor zo'n stukje te berekenen zijn. Door de energieniveaus over de hele buis te meten, werden de elektrongolven in beeld gebracht.