Nederlands Tijdschrift voor Natuurkunde

Weergaloos

NTvN 84-09

Het oktobernummer is uit!

De verdeling van donkere materie

Een kaart van de verdeling van donkere materie, gemeten met het KiDS-project door middel van zwaartekrachtslenzen. Lees hier alles over in het artikel van Koen Kuijken in het oktobernummer.

Vorige Volgende

Artikel

Weergaloos

Gepubliceerd: 1 mei 2018 13:00

Gewoonlijk gaan biografieën over een persoon. In Beelden zonder weerga beschrijven Dirk van Delft en Ton van Helvoort de levensgeschiedenis van een apparaat; de elektronenmicroscoop. Het lijdt geen twijfel dat de elektronenmicroscoop tegelijkertijd een van de meest onzichtbare en toch een van de verst reikende uitvindingen van de twintigste eeuw is. Bouwend op de Maxwellvergelijkingen, het werk van Ernst Abbe op het gebied van de lichtmicroscopie, en van Louis de Broglie in de quantummechanica, kwam de elektronenmicroscoop tussen 1900 en 1940 langzaam tot stand.

Beelden zonder weerga volgt dit verhaal vooral aan de hand van Ernst Ruska in Berlijn en Jan Le Poole in Delft. Het zijn twee goede gidsen. Ernst Ruska ontving in 1986 de Nobelprijs voor de Natuurkunde, samen met Heinrich Rohrer en Gert Binnig (voor de rastertunnelmicroscoop (scanning tunneling microscope)). Jan le Poole bevocht een vroege plaats voor de elektronenmicroscopie in Nederland en droeg op onnavolgbare wijze bij aan de totstandkoming van het instrument. De dominante rol van Philips destijds (met de kennis en kunde nu ondergebracht in FEI/Thermo Fisher Scientific in Eindhoven) in de commerciële microscopiewereld is in niet geringe mate te danken aan de inzet en visie van Le Poole.

De reden voor de zo late toekenning van de Nobelprijs aan Ruska is duidelijk: de uitvinding en vroege ontwikkeling waren geen eenmanswerk. Het gebruik van magneetspoelen om elektronenbundels te concentreren gaat terug tot de late negentiende eeuw. En het bewijs dat magneetvelden een lenswerking kunnen hebben, volledig analoog aan lichtoptiek, werd al in 1926/27 door Hans Busch geleverd. Toch duurde het nog tot 1931 voordat Max Knoll en zijn jonge student Ruska de eerste elektronenmicroscoop bouwden met een vergroting van zestien keer. Zoals Dennis Gabor later opmerkte; de elektronenmicroscoop hing in die jaren in Berlijn in de lucht en van verschillende kanten werden er patentaanvragen ingediend. De eerste was van Reinhold Rüdenberg, een elektrotechnisch ingenieur bij Siemens. Maar ook Dennis Gabor en zelfs Leo Szilard (die als eerste de mogelijkheid van een atoombom voorzag) stuurden patentaanvragen in.

Het hoofdstukje over Rüdenberg staat ten onrechte ingeleid met de titel Verraad van Rüdenberg. Rüdenberg claimde dat hij onafhankelijk tot de uitvinding van de elektronenmicroscoop was gekomen toen zijn zoontje met polio besmet was. Zijn gedachte was dat er een betere microscoop nodig was om virussen te kunnen zien, die immers veel te klein zijn om met een lichtmicroscoop te zien. Rüdenberg combineerde dit met de resultaten van Busch en anderen, kwam op de gedachte van een elektronenmicroscoop en patenteerde zijn idee. Een interessante vraag is waarom Knoll en Ruska zelf zo lang wachtten met het aanvragen van een patent. Ik denk dat het antwoord is dat ze zelf niet onmiddellijk zagen wat een elektronenmicroscoop zou kunnen doen op de lange termijn. Ze demonstreerden wel een enigszins vergroot beeld, maar durfden misschien niet te hopen dat daarmee op den duur virussen en later zelfs atomen zichtbaar zouden worden. Voor Rüdenberg was dit juist de persoonlijke motivatie, terwijl dat inzicht bij Knoll en Ruska pas later kwam. Toen had Rüdenberg zijn patent al ingediend. Is dat verraad? Had Rüdenberg tijdens het colloquium waarin Knoll en Ruska hun eerste ‘microscoop’ onthulden, een paar dagen nadat hij zijn patentaanvraag had ingediend, iets moeten zeggen? Waarom? Hij had een goed idee, wilde horen hoe ver Knoll en Ruska op weg waren en was onder geen enkele verplichting om zijn eigen ideeën daar kenbaar te maken. Wetenschap werkt nu eenmaal altijd op het wrijvingsvlak tussen communicatie en competitie. Later, nadat Rüdenberg (als Jood) Duitsland was ontvlucht en in de Verenigde Staten was beland, werkte hij als adviseur voor Farrand Optical Company in New York. Hier ontwikkelde zijn jonge medewerkster Gertrude Rempfer een uitstekende microscoop. Nog later zou Rempfer het theoretische werk van Rüdenberg aan hyperbolische lensvelden uitbreiden naar elektronenspiegels en als eerste laten zien dat zulke spiegels het oplossend vermogen van een microscoop sterk kunnen verbeteren. Zelf heb ik zo’n elektronenspiegel gebruikt in het ontwerp van de ESCHER-microscoop in Leiden. Ook zo droeg Rüdenberg uiteindelijk toch nog zijn steentje bij.

Een wat storend element in Beelden zonder weerga is de niet-aflatende nadruk op de Nobelprijs die Ruska pas in 1986 kreeg. Er was te veel gekissebis onder de wetenschappers van het eerste uur om het voor de Nobelprijscommissie mogelijk te maken om (niet meer dan) drie namen te prikken, zonder daarbij een aantal anderen ten onrechte buiten de schijnwerpers te houden. De indruk wordt gewekt dat wetenschappers hun werk doen om Nobelprijzen te winnen – een motivatie die in de praktijk geen steek houdt. Wetenschappers doen hun werk vanuit hun passie voor de ontdekking, voor het ontsluieren van een stukje natuur dat nog niet eerder is gezien. Die Nobelprijs komt pas veel later (of vaak helemaal niet) als het werk al lang gedaan is. Ruska bouwde met Knoll het eerste demonstratie-apparaat en twee jaar voor zijn overlijden kreeg hij toch nog zijn welverdiende prijs, samen met Rohrer en Binnig voor de rastertunnelmicroscoop. In 2017 ging de Nobelprijs voor de Chemie naar Jacques Dubochet, Joachim Frank en Richard Henderson voor de ontwikkeling van lage-temperatuur-elektronenmicroscopie voor de hoge-resolutiestructuurbepaling van biomoleculen in oplossing, de meest recente hommage aan de Übermikroskop.

Beelden zonder weerga is een boeiend en vlot geschreven boek over de geboorte en vroege ontwikkeling van de elektronenmicroscoop. Van de enorme ontwikkelingen sinds 1990 durfden Ruska, Le Poole, Gabor en hun vrienden van dat eerste uur slechts te dromen. In de laatste hoofdstukken belanden we bij Ben Feringa in Groningen, zijn voormalige student Sense Jan van der Molen in Leiden en Le Poole’s opvolger Pieter Kruit in Delft, die de geavanceerde instrumenten van vandaag gebruiken en verder ontwikkelen om de atomaire wereld nog beter te begrijpen. Wat met licht al rond 1860 was gelukt, de correctie van de resolutiebeperkende lensaberraties, is nu ook in de elektronenoptiek klaargespeeld, zo’n zestig jaar nadat Otto Scherzer de randvoorwaarden had vastgelegd. We kunnen nu niet alleen atomen zien, maar we kunnen zelfs zien of het een koper- of een nikkelatoom is. Ik hoop dat wetenschapshistorici hun taperecorders nu naar de huizen van onder andere Harald Rose, Max Haider, Ondrej Krivanek en Peter Hawkes slepen om ook hun verhalen vast te leggen. Hier hangen wellicht nóg een Nobelprijs en toch minstens nóg een boek in de lucht.

Ruud Tromp
IBM T.J. Watson Research Center, Verenigde Staten en Universiteit Leiden, Kamerlingh Onnes Laboratorium