We maken de dingen steeds kleiner. Daarom past er in een moderne smartphone meer rekenkracht dan in een grote desktop computer van een paar jaar geleden. Maar er gebeuren vreemde dingen in objecten als ze minder dan een duizendste millimeter klein zijn.

‘Ze gedragen zich heel anders dan grotere stukken van hetzelfde materiaal’, zegt Erik van der Giessen, hoogleraar micromechanica aan de RUG. Op 14 november ontvangt hij de Koiter medaille van de American Society for Mechanical Engineers, voor zijn onderzoek naar de manier waarop hele kleine objecten vervormen.

In zijn werkkamer in Nijenborgh 4 laat Van der Giessen zien hoe een groot object als een theelepel vervormt. ‘Kijk, wanneer ik de lepel aan één kant vasthoud en dan de andere kant een beetje naar beneden trek, dan veert die vanzelf weer terug. Maar als ik verder doorduw, dan buigt het lepeltje om en komt het niet meer terug in de oorspronkelijke vorm.’ Dat dit gebeurt weet iedereen uit ervaring. Maar waarom gebeurt het?

‘De reden waarom een theelepeltje ombuigt is omdat in het materiaal waarvan de lepel is gemaakt onvolkomenheden zitten, fouten in de kristalstructuur van het metaal. Als gevolg van de kracht op het lepeltje bewegen deze fouten door het materiaal waardoor kristalvlakken langs elkaar glijden. Dat nemen wij waar als permanente vervorming. Zonder fouten zou de lepel niet buigen, maar uiteindelijk wel breken, als een krijtje.’ Van der Giessen heeft wiskundige modellen ontworpen die het gedrag van metalen platen onder spanning beschrijven. ‘Dit soort modellen is bijvoorbeeld belangrijk voor de auto-industrie. Wanneer ze een stuk metaal in de vorm van een motorkap willen buigen, moeten ze weten hoeveel kracht daar voor nodig is en of de spanning in het materiaal niet zo hoog wordt dat er scheuren ontstaan.’

Airbus

Voor het materiaal waarvan je auto’s of vliegtuigen bouwt kun je volstaan met het testen van een klein stukje, en dan de resultaten extrapoleren naar de grootte van een auto of een Airbus. ‘Maar wanneer je naar hele kleine objecten gaat, kleiner dan een micrometer, is alles ineens heel anders’, zegt Van der Giessen. Dat ontdekten ingenieurs in de jaren negentig, toen ze steeds kleinere objecten gingen maken. ‘Het bleek dat hoe kleiner een object is, hoe moeilijker het is om het permanent te vervormen. Maar de bestaande theorie over materiaalgedrag kon dat destijds niet verklaren.’

Van der Giessen ontwikkelde een methode om het gedrag van zeer kleine objecten te simuleren. ‘Ook als het kleiner is dan een micrometer zitten er een heleboel atomen in een stukje materiaal.’ Het is onmogelijk om het gedrag van alle circa 10¹¹ (oftewel 100.000.000.000) atomen in een kubieke micrometer te simuleren. ‘Maar samen met een collega uit de VS ontwikkelde ik een manier om alleen de fouten in het materiaal te simuleren, zodat we de meeste atomen weg konden laten.’

Vermoedelijk is dit de prestatie waarvoor hij de Koiter medaille krijgt, denkt Van der Giessen, al heeft hij het juryrapport nog niet gezien. De laatste jaren gaat zijn belangstelling uit naar verschillende onderwerpen binnen het materialenonderzoek. ‘Zoals het gedrag van plastic en synthetisch rubber op atomaire schaal.’ Maar Van der Giessen heeft ook een terrein betreden dat ver af ligt van theelepels, auto’s en vliegtuigen: de mechanica van biomoleculen, de bouwstenen van levende cellen.

Tensegrity

Die belangstelling ontstond toen Van der Giessen een artikel las in het populairwetenschappelijke tijdschrift Scientific American. ‘Dat ging over het cytoskelet, de structuur die een cel zijn stevigheid geeft. Het artikel stelde dat dit zogeheten tensegrity structuren waren.’ Tensegrity (een samentrekking van ‘tensional integrity’) structuren bestaan uit stijve staven, bijeengehouden door kabels. De combinatie van spanning op de kabels en de stijfheid van de staven maakt het mogelijk om grote, zeer lichte structuren te bouwen.

‘Mijn eerste reacties was: dat kan niet kloppen’, zegt Van der Giessen. ‘Wanneer je één kabel in een tensegrity bouwwerk doorknipt, stort het helemaal in elkaar. Maar biologische structuren veranderen voortdurend, de moleculen van het cytoskelet worden voortdurend afgebroken en weer opgebouwd. Dat sloot voor mij uit dat het tensegrity structuren waren.’

Uit zijn werk aan synthetisch en natuurlijk rubber wist Van der Giessen dat dit soort polymeren bestaat uit ketens van heel lange moleculen. Die kunnen uitrekken doordat ze zich ontvouwen, een beetje zoals je een opgerold kabelslot van je fiets uitrolt. ‘De biopolymeren waaruit het cytoskelet bestaat zijn niet opgerold, zijn rechter maar wel vol kronkels, zodat ze langer worden wanneer je er aan trekt.’ Opnieuw ontwikkelde Van der Giessen, samen met een Groningse collega, een simulatieprogramma om het gedrag van biopolymeren te beschrijven.

Kankercellen

‘Het bleek dat biopolymeren in het cytoskelet vast zitten in een soort schuimachtig netwerk, wat het materiaal extra stevigheid geeft.’ Deze schuimachtige structuren blijken nuttig te zijn in kunstmatige materialen. ‘Ruimtevaartorganisatie NASA is geïnteresseerd in dit soort materialen, ook omdat ze juist sterker worden wanneer je ze vervormt.’

‘Er wordt ook in Groningen bijvoorbeeld gewerkt aan kunstmatige blaasjes om geneesmiddelen door het lichaam te transporteren. De vraag is hoe we die blaasjes soepel genoeg kunnen maken zodat ze door kleine haarvaatjes heen kunnen, maar sterk genoeg om het geneesmiddel al vast te houden totdat ze op de plaats van bestemming zijn.’ En hij kan nog andere – meer speculatieve – toepassingen bedenken. ‘Zouden we de mechanische eigenschappen van kankercellen kunnen gebruiken om ze te onderscheiden van gezonde cellen? Dat zou allerlei mogelijkheden bieden!’

Warner Koiter

De Koiter medaille is vernoemd naar de Nederlandse ingenieur Warner T. Koiter (1914-1997). Hij studeerde werktuigbouwkunde aan de TU Delft, waar hij bijna zijn hele leven werkte. Zijn onderzoek lag op het terrein van de toegepaste mechanica. Hij ontwikkelde de theorie om het gedrag van dunwandige constructries, zoals vliegtuigen en raketten, te beschrijven. Van der Giessen, die net als Koiter aan de TU Delft studeerde en er ook werkte, legt het belang van Koiters werk uit.

‘Een raket is een cilinder, met een zo dun mogelijke wand. Maar als je van boven af druk uitoefent op een cilinder, zoals gebeurt bij de lancering van een raket, dan kan de wand op een gegeven moment gaan knikken. Koiter ontwikkelde een wiskundig model om te voorspellen wanneer dat zou gebeuren.’ Dat deed hij tijdens de Tweede Wereldoorlog, deels terwijl hij zat ondergedoken omdat hij weigerde een loyaliteitsverklaring te ondertekenen.

Wereldklasse

Na de oorlog speelde Koiter een belangrijke rol in de ontwikkeling van de Nederlandse lucht- en ruimtevaart. In de jaren zeventig verruilde Koiter kortstondig Delft voor een aanstelling in de VS, omdat hij het niet eens was met de democratiseringsgolf die er in het Nederlandse hoger onderwijs woedde. Collega’s van Koiter stapten daarop naar de minister van Onderwijs en vroegen hem om in te grijpen. Dat gebeurde: Koiter kreeg een persoonlijke leerstoel aangeboden zonder bestuurlijke beslommeringen, zodat hij al zijn aandacht kon richten op onderzoek en onderwijs, en hij keerde terug.

‘Koiter was echt wereldklasse op het terrein van vaste stof mechanica.’ Toen de American Society for Mechinical Engineers met het idee kwam om een Koiter medaille in te stellen, benaderden ze Van der Giessen met het verzoek in Delft te lobbyen voor financiering van de prijs. Dit lukte, en in 1997 kreeg Warner Koiter zelf de eerste Koiter medaille. En nu krijgt Erik van der Giessen, die nog meehielp bij de organisatie van de eerste uitreiking, de 16e Koiter medaille.