Untitled Document
Speuren tot in de poriën
Poriën/Enith Vlooswijk
Foto's/Bert Jansen
Rotte muren, algengroei, scheuren in de wand: woningbezitters
en bouwondernemingen gruwelen ervan. De oorzaak van het kwaad,
water, dringt door tot in de diepste poriën van het bouwmateriaal.
Roland Valckenborg onderzocht de met water gevulde poriën
met behulp van magneetvelden.
 Op het eerste gezicht lijkt een
baksteen redelijk massief. Gooi er echter een plons water overheen
en de steen zuigt zich vol als een spons. Als dit maar vaak genoeg
gebeurt, bezwijkt het materiaal onder de druk van het zout dat
zich in de poriën van de steen heeft afgezet. Ook een paar
goede vriesnachten kunnen een doorweekte klinker doen barsten
van ellende.
De oplossing van het probleem schuilt in de plek waar alle euvel
begint: de porie. Wie weet hoe groot de poriën van een baksteen
zijn en hoe ze over het materiaal zijn verdeeld, kan tevens onderzoeken
hoe het opgezogen water zich er gedraagt. Die kennis is noodzakelijk
om minder kwetsbare materialen te kunnen ontwikkelen. Een van
de technieken om poriën te meten, is NMR, Nuclear Magnetic
Resonance. Daarbij worden de waterstofatomen van het water dat
in de poriën zit getraceerd.
"Kijk, dit is een waterstofatoom." Roland Valckenborg
(28), promovendus aan de faculteit Technische Natuurkunde, steekt
zijn balpen recht de lucht in. Dan laat hij het topje van de pen
cirkeltjes maken. "Het waterstofatoom draait als een tol
rond zijn eigen as. Alle waterstofatomen tollen, maar elk atoom
doet dat weer net iets anders dan de rest. Als je ze in een magnetisch
veld plaatst, gaan ze allemaal op dezelfde manier draaien."
De waterstofatomen reageren op het magnetische veld zoals een
gitaarsnaar meetrilt zodra een andere snaar van dezelfde toonsoort
wordt aangeslagen. De tolbeweging van de waterstofatomen krijgt
dan een frequentie die correspondeert met de sterkte van het magnetische
veld. Dit heet het 'spinmoment'.
Terug naar de porie. In de testruimte waar Valckenborg zijn experimenten
doet, staan her en der plastic bakjes met stukken natte steen:
mortel, klei of baksteen. Terwijl meetapparatuur zachtjes gonst,
worden de stukjes steen blootgesteld aan magnetische velden van
verschillende sterkte. De magneten, spoelen waar elektrische spanning
op staat, zijn zo groot als autobanden. "Het tollen van de
waterstofatomen in de poriën van het bouwmateriaal veroorzaakt
elektrische spanning in een spoeltje. Die spanning is meetbaar."
Valckenborg wijst met een rood stukje baksteen naar een oscilloscoop,
een spanningsmeter. "Als we nu tijdelijk extra spanning op
het spoeltje zetten, gaan de waterstofatomen sneller rondtollen.
Halen we deze extra spanning weer weg, dan vallen de atomen terug
in hun oude tolritme. Ze verliezen hun spinmoment en de energie
die daardoor vrijkomt, zorgt opnieuw voor een elektrische spanning."
Het schermpje van de oscilloscoop illu-streert het verhaal met
twee kort na elkaar gelegen piekjes.
Hoe meer spanning Valckenborg meet, des te meer waterstofatomen
rondtollen in de poriën van de steenmonsters. De tijd die
het atoom nodig heeft om terug in zijn oude tolritme te vallen,
zegt iets over de grootte van de porie. Watermoleculen botsen
voortdurend tegen de porierand. Wanneer dit gebeurt, verliezen
de waterstofatomen in die moleculen gemakkelijk hun spinmoment.
Hoe kleiner de porie is, des te groter is de kans op een botsing
en dus op een korte terugvaltijd.
De poriën op verschillende plekken van de steen kunnen in
grootte en aantal variëren. Om deze variatie te meten, worden
de bouwmaterialen op verscheidene plekken blootgesteld aan verschillende
magnetische velden. Elk veld veroorzaakt een ander spinmoment,
waardoor relatief eenvoudig is vast te stellen welke poriën
op welke plek zitten.
IJzer
Tot zover lijkt de porie-opspeurmethode vrij ongecompliceerd.
De zaken liggen echter wat ingewikkelder. Baksteen ontleent zijn
warmrode kleur aan het ijzer dat erin zit. Blootgesteld aan een
magnetisch veld gedraagt ijzer zich eveneens als een magneet.
Dit zorgt voor een verstoring van de kernspinmomenten: de waterstofatomen
vallen eerder terug in hun oude tolbeweging dan zonder de aanwezigheid
van ijzer het geval zou zijn. Het is daardoor niet duidelijk wat
de onderzoeker meet: de terugvaltijd als functie van de poriegrootte
òf van de ijzervervuiling. Het kostte Valckenborg ongeveer
een jaar om een model te ontwerpen dat de troebele meetgegevens
vertaalt naar data over porie-grootte.
Er kleven nog andere moeilijkheden aan de meettechniek. Watermoleculen
kunnen ongeveer vijftig micrometer afleggen in één
seconde. Omdat de maximale vervaltijd van een waterstof-atoom
rond de seconde ligt, is het niet mogelijk poriën te traceren
met een grotere doorsnede dan vijftig micrometer. Het terrein
van het NMR-onderzoek ligt nog bezaaid met dergelijke obstakels
en open vragen. Is NMR eigenlijk wel de ideale techniek om poriën
in bouwmateriaal op te onderzoeken? "Het voordeel van NMR
ten opzichte van bepaalde oudere technieken is dat het niet destructief
is", antwoordt Valckenborg. "De steenmonsters kunnen
oneindig vaak onderzocht worden. Bovendien is het een relatief
snelle methode. Maar de ideale onderzoekstechniek bestaat niet.
Mijn proefschrift toont in de eerste plaats de randvoorwaarden
voor porie-onderzoek met NMR."
In een gesprek over wetenschap lijkt elk onderzoek een gebed zonder
einde: de vragen en onduidelijkheden stapelen zich op naarmate
het project vordert. Dit meestal tot grote fascinatie van de onderzoeker.
"Mijn afstudeerproject deed ik binnen Philips Lighting",
vertelt Valckenborg. "Daar kwam ik erachter dat de gemiddelde
ingenieur eigenlijk heel snel tevreden is. Ik bleek veel nieuwsgieriger
te zijn dan mijn collega's, stelde meer vragen. Daarom ben ik
gaan promoveren."
 Strengste winter
Hoewel wetenschappelijke nieuwsgierigheid Valckenborgs belangrijkste
drijfveer was, reikt het belang van zijn onderzoek tot buiten
de draaideuren van
N-laag. "We werken nauw samen met de bouwafdeling van TNO;
hun bouwmateriaal wordt regelmatig onderzocht door onze meetapparatuur.
Een paar jaar geleden verscheen er een artikel over ons project
in het Technisch Weekblad. Nu nog nemen ingenieursbureaus contact
met ons op naar aanleiding van dat artikel."
Voordat de strengste winter met vriesbestendig bouwmateriaal het
hoofd wordt geboden, zullen niettemin nog veel waterstofatomen
moeten rondtollen. Niet alleen de poriegrootte van het bouwmateriaal
maar ook het gedrag van zouten en water in dat materiaal laat
nog veel te raden over. Het vervolgonderzoek laat Valckenborg
echter graag over aan een ander. "Ik heb dit onderzoek met
ontzettend veel plezier gedaan. Onderzoek doen is méér
dan een gewone baan van negen tot vijf. Zeker in de laatste maanden
ben je er vaak continu mee bezig. Maar iedereen is het erover
eens dat het na een promotie tijd is om buiten de deur te kijken."
De charmes van een universiteit zijn de ongedwongen sfeer en de
vrijheid om zelf het onderzoek op te zetten, aldus Valckenborg.
De lijst met stellingen die hij dinsdag 30 oktober verdedigde,
bevat echter een venijnige steek onder water: 'de moeite die het
kost om het contract van een AIO te verlengen op grond van verhuiswerkzaamheden
die het onderzoek vertragen, staat in schril contrast met het
gemak waarmee de TU/e miljoenen guldens uitgeeft aan renovatie
en nieuwbouw'. Glimlachend: "Tja, vanwege een verhuizing
had ik een contractverlenging aangevraagd van een maand. Onze
faculteit heeft echter niet veel geld, dus de curator hield de
verlenging tegen. Absurd gewoon. Ik was toen zo kwaad, dat ik
die stelling op de lijst heb gezet. Later, nadat ik een brief
had gestuurd naar de rector magnificus, heb ik die verlenging
toch nog gekregen".
Over zijn toekomst is Valckenborg nog onzeker, maar een ding staat
vast: "Ik wil een baan met veel vakantiedagen! Onderzoek
is leuk, maar ik ben geen freak"./.
|
