Frank de Groot, ERC Advanced Grant 2013

"Ik bestudeer niet de katalyse maar de katalysator; ik wil het materiaal beter begrijpen."
Frank de Groot
Frank de Groot

Dat scheikundige Frank de Groot cowboylaarzen draagt, past bij zijn avontuurlijke onderzoek. Met zijn team doet De Groot onderzoek naar de elektronenstructuur van nanodeeltjes, die katalyse mogelijk maken. Dit gebeurt met immense straling van synchrotrons in Europa, Taiwan, de VS en Japan. De Groot: "Ik bestudeer niet de katalyse maar de katalysator; ik wil het materiaal beter begrijpen." Zijn ERC Advanced Grant maakt het mogelijk de elektronen van ijzeroxide en kobaltoxide in detail te ontwaren. In zijn werk is het samengaan van natuurkunde en scheikunde en van theorie en experiment uniek.

Als je je afvraagt hoe een materiaal eruit ziet, dan denken de meeste mensen aan de vaste structuur van het materiaal en, als ze inzoomen, aan moleculen en atomen. De Groot bestudeert niet zozeer deze atoomstructuur, maar de structuur van de elektronen, energiestructuren die in wolken rondom atoomkernen dwarrelen. "Deze structuur is niet statisch. Elektronen bewegen bijna met snelheid van het licht. De verdeling van elektronen over het materiaal bepaalt de eigenschappen ervan." legt De Groot uit. "Om de elektronen die actief zijn bij katalyse te meten, gebruiken we röntgenspectroscopie. In een synchrotron kun je de energie ervan variëren, waardoor we stukje bij beetje de elektronen in detail in beeld krijgen." Er is een klein aantal synchrotrons op de wereld. "Die in Taiwan bijvoorbeeld heeft maar een diameter van 100 meter, maar is ideaal voor onze metingen door het unieke concept van de röntgenemissie bundellijn. Na inroostering mogen de onderzoekers uit Utrecht telkens zo'n vier dagen meten, dus werken we op een schema van 12 uur op, 12 uur af."

De onderzoeksmethoden binnen de röntgenspectroscopie zijn de laatste decennia in een stroomversnelling gekomen. "Voorheen werkten we vooral met röntgenabsorptie. Tijdens mijn promotie is de resolutie met een factor 10 verbeterd. Ieder spectrum dat we konden meten was nieuw. Het mooie was: de voorspellingen die we berekenden op basis van onze theorie, bleken keer op keer te kloppen. Inmiddels is daar de techniek van röntgenemissie bijgekomen. Sinds een jaar of vijf stelt het ons in staat met nog veel grotere energie resolutie te meten."

Het is onmogelijk de eigenschappen van één enkel elektron te onderzoeken. Omdat elektronen sterk correleren, met name in elementen als ijzer en kobalt, en de hele wolk ook invloed heeft op de losse delen, moet het hele systeem worden beschreven. "Het bijzondere aan ons onderzoek is dat we natuurkunde en scheikunde combineren. En we combineren theorie en experiment. De samenstelling van mijn onderzoeksteam sluit daarbij aan, het bestaat uit vier natuurkundigen, vijf chemici en twee theoretici." Deze onderzoekers bestrijken gezamenlijk een breed spectrum aan wetenschappelijke activiteiten. Ze richten zich op theorieontwikkeling, data-analyse, softwareontwikkeling en experimenten. De hoge resolutie stelt het onderzoeksteam in staat nieuwe spectra te meten en de theorie te verbeteren. Op basis daarvan kan de Groot nieuwe software ontwikkelen voor betere berekeningen. Die berekeningen fungeren vervolgens weer als basis om voorspellingen te doen over de eigenschappen van de materialen.

Het ERC project is pas een jaar bezig, maar De Groot weet nu al dat de lat hoog ligt. "Om 1% divalent ijzer te meten terwijl 99% trivalent ijzer probeert de meting te verstoren, is waarschijnlijk moeilijker dan we dachten."

Het zou misschien logisch zijn als De Groot onderzoeksdirecteur zou worden in de VS, bij de deskundigen die rond een synchrotron zwermen. Maar hij koestert zijn onderzoeksvrijheid in Nederland. "Ik zou daar veel tijd kwijt zijn met public relations en wil liever theorie ontwikkelen en experimenten opzetten. Ik ga graag op ontdekkingstocht met mijn onderzoeksteam hier in Utrecht."

tekst: Youetta Visser