Hoe een prijswinnend computermodel de industriële belofte van plasma’s binnen handbereik bracht

Deze zomer ontving Dr. Paola Diomede (Circular Chemical Engineering) de William Crookes-prijs, die wordt toegekend voor belangrijke bijdragen in de plasmafysica. In het geval van Dr. Diomede markeert de prijs zo’n 20 jaar aan multidisciplinair onderzoek. Wat is plasma, welke onderzoeksdoorbraak deed Dr. Diomede en welke bruggen heeft ze gebouwd om daar te komen?

Laten we bij het begin beginnen: plasma. "Als leraren je op de middelbare school vertelden dat er drie toestanden van materie zijn - vaste stoffen, vloeistoffen en gassen – tja, dan logen ze tegen je. Plasma is nummer vier. Je krijgt een plasma als je hitte of energie in een gas stopt, dat daardoor wordt geïoniseerd.” Diomede wijst naar het plafond: “Zoals bij deze tl-verlichting. Tl-buizen zijn gevuld met gas, dat in een lichtgevend plasma verandert als er elektriciteit doorheen gaat. Maar de zon bestaat ook uit plasma. Plasma’s hebben veel toepassingen, zoals verlichting en in de materiaalverwerking. Voor dat laatste heb ik de prijs gekregen.”

Paola Diomede

Prijswinnende computervoorspellingen

Dr. Diomede ontving de William Crookes-prijs voor het bouwen van een nauwkeurig computermodel. Haar model voorspelt het gedrag van plasma’s die een rol spelen bij de productie van halfgeleiders en zonnecellen. "Plasma's kunnen piepkleine patronen maken door materialen op een substraat af te zetten of er juist in te etsen, zoals de patronen op computerchips in mobiele telefoons. Dat hele priegelige – het gaat tot op de nanometer precies – krijg je niet voor elkaar met vloeistoffen."

Op de foto: Dr. Paola Diomede kijkt naar een methaanplasma in Circular Chemical Engineering lab's open plasma reactor.

 

Plasma lab

Interdisciplinair, samenwerkend, experimenteel

Diomedes modellen putten uit de natuurkunde, scheikunde, wiskunde en informatica. Ze zoekt echter niet per se naar interdisciplinaire input van haar collega’s. Door haar veelzijdige achtergrond – Diomede combineert een master in natuurkunde met een PhD in scheikunde én korte werkervaring als software-ingenieur – zoekt ze vooral samenwerking met collega’s die in het lab met plasma’s werken.

“Toen ik aan mijn promotietraject begon, waren er binnen de onderzoeksgroep computermodelleurs en experimentalisten. Ze werkten aan totaal verschillende plasma’s. Ik vroeg me af: hoe komt dat? We moeten juist zoveel mogelijk samenwerken. We kunnen alleen goede modellen bouwen met gegevens die we uit experimenten halen. Daarom ging ik op zoek naar samenwerking. Toen ik optrok met een Franse onderzoeksgroep, die dankzij geavanceerde methoden heel precies te weten konden komen wat er in het plasma gebeurde, was het als een droom die uitkwam. Mijn model van waterstofplasma’s was toen al behoorlijk ver, maar het duurde alsnog drie jaar tot validatie – tot de modellen konden voorspellen wat er in de experimenten gebeurde.”

Circular Chemical Engineering

Vandaag de dag werkt Dr. Diomede aan andere soorten plasma’s. Zij en haar promovendi buigen zich over computermodellen van plasmareacties die stikstofgas afbreken, en die het broeikasgas methaan omzetten in veelgebruikte industriële chemicaliën als ethyleen en acetyleen. Plasma’s kunnen dat soort reacties efficiënter en milieuvriendelijker laten verlopen.

“Het idee is hetzelfde”, vervolgt ze. “Ik modelleer de experimenten die we hier in de Circular Chemical Engineering-groep aan het opbouwen zijn.” Binnen de groep dragen twee dingen bij aan het verzamelen van die felbegeerde experimentele data: een groep collega’s die al net zo graag samenwerkt als Dr. Diomede zelf, en het open ontwerp van de plasmareactor die ze gebruiken.

Terug in de mode

In het lab demonstreert onderzoeker Tim Righart de experimentele opstelling van de groep. “Plasma’s komen terug in de mode”, vertelt hij. Ondertussen maakt hij een methaanplasma. “Plasma’s kunnen het gebruik van fossiele brandstoffen in de industrie enorm terugdringen.

Je kan ook zeer precies controle uitoefenen over plasma’s, maar het is lastig om de juiste omstandigheden te bepalen.” Het helderblauwe plasma flikkert terwijl hij wat instellingen verandert om zijn bewering kracht bij te zetten.

Lees verder over Circular Chemical Engineering

Open source modellen

Dr. Diomede en haar team schrijven alle computercode zelf. Dit spreekt niet voor zich: bij het bouwen van computermodellen kan je ook kant-en-klare modules gebruiken die bijvoorbeeld beschrijven hoe een gas beweegt. Dr. Diomede: “Door alles in het model zelf te maken, weten we precies wat er gebeurt. Dit maakt het makkelijk dingen aan te passen en stukjes toe te voegen. We kunnen de code ook vrij delen met andere mensen. Zodra de modellen ver genoeg zijn, willen we ons werk open source vrijgeven.”

Dr. Paola Diomede ontving de award van het jaar 2020 voor haar bijdrage aan “the modeling of Non-equilibrium H2 Plasma and Diffusion Approach to Vibrational Kinetics and the Monte Carlo Flux Method”. Vanwege de pandemie nam ze de prijs in 2022 ontvangst.

Lees ook

  • Adriana Iamnitchi’s carrière was als een gespreid bedje. Ze werkte als full professor bij het Department of Computer Science and Engineering van de University of South Florida. Toch zocht ze een andere uitdaging en kwam naar Maastricht, om zich hier te storten op onderzoek naar sociale media.

  • Phishing mails of helpdeskmedewerkers die je vragen om geld over te maken? Digitale criminaliteit neemt toe en wordt steeds gewiekster. Artificial Intelligence speelt daarin een negatieve én positieve rol. Aan de ene kant ontstaan er door AI nieuwe vormen van cybercrime; aan de andere kant helpt AI...

  • Eigenlijk wilde Caroline Bouvier illustrator worden, maar ze werd uiteindelijk chemicus. Ze slaagde erin haar passies, kunst en scheikunde, te combineren in haar onderzoek - het creëren van moleculaire vingerafdrukken van 's werelds meest beroemde schilderijen, waaronder oude meesterwerken uit de...