EUSO Groningen 2004.

Het Vlaams Comité Europese Wetenschapsolympiade wordt ondersteund binnen het actieplan Wetenschapsinformatie en Innovatie van de Vlaamse Gemeenschap.

Voor het eerst nam een Vlaamse ploeg deel aan de Europese wetenschapsolympiade.
Hun resultaat (zilver!) kan terecht een succes genoemd worden.

Het bindend thema te Groningen was licht: chemoluminescentie en zijn toepassing in de biologie, licht van LED's en fotodiodes.

Het eerste experiment (totaal 4 uur) was Het hexokinase experiment.

Een stuk uit de theoretische tekst voor de leerlingen:

Enzymen zijn eiwitten: het zijn grote moleculen die duizenden verschillende reacties en processen die in ons lichaam plaatsvinden katalyseren. We noemen deze enzymen dan ook wel biokatalysatoren. Deze biokatalysatoren maken chemische reacties mogelijk die op deze manier heel precies kunnen worden gestuurd bij lichaamstemperatuur. Lichaamstemperatuur is een relatief lage temperatuur  voor chemische reacties. Het enzym dat we gebruiken in dit experiment, hexokinase, is een voorbeeld van dergelijke biokatalysator.

Hexokinase is het enzym dat glucose fosforyleert in glucose-6-fosfaat.  

  

actie is de eerste stap in de glycolyse. De glycolyse is een onderdeel van de celademhaling, een proces waarbij glucose wordt afgebroken om energie vrij te maken. Hexokinase is onder andere werkzaam in de pancreas waar het functioneert als een receptor om de glucosespiegel in het bloed te bepalen. Na een maaltijd stijgt de bloedglucosespiegel en wordt glucokinase geactiveerd. Dit is tevens het signaal voor de eilandjes van Langerhals om insuline af te scheiden. De insuline reguleert de opname van glucose in spierweefsel en de omzetting van glucose in onderhuids vetweefsel.

De activiteit van hexokinase kunnen we alleen indirect meten door de concentratieafname van ATP te meten via een chemoluminescentiereactie. De chemoluminescentiereactie van het enzym luciferase produceert licht volgens onderstaande reactie:

De leerlingen aan het werk:

De volgende dag werd een tweede reeks experimenten uitgevoerd rond chemoluminescentie en LED's op basis van vloeibare halfgeleiders.

Een stuk uit de theoretische tekst voor de leerlingen:

De productie van licht bij een chemische reactie wordt chemoluminescentie genoemd. Bij dergelijke reactie is een van de reactieproducten ontstaan in aangeslagen toestand. De elektronen van de molecule bevinden zich in een aangeslagen toestand waarbij ze over een hogere energie beschikken dan in de normale- of grondtoestand. Bij overgang naar de normale toestand vallen de elektronen terug naar hun lagere energietoestand en wordt er energie uitgestuurd onder de vorm van fotonen. De kleur van het uitgestuurde licht is afhankelijk van het energieverschil tussen grondtoestand en aangeslagen toestand.Elk soort molecule heeft voor zijn elektronen specifieke en voor die molecule kenmerkende energietoestanden en energieverschillen.Vele levende wezens produceren licht door middel van chemoluminescente reacties. Dit heet"bioluminescentie".Micro-organismen in het zeewater, maar ook vuurvliegjes en talrijke luminescente vissen in de oceanen zijn daar een voorbeeld van.In het glucose-experiment werd een bioluminescente reactie gebruikt om de activiteit van het enzym hexokinase te meten.

In het hierna volgend experiment ga je via chemoluminescentie licht maken!

Eerst maak je de chemoluminescente stof adamantylideenadamantaan-1,2-dioxetaan uit adamantylideenadamantaan door een reactie met een reactieve zuurstofvorm. Deze stof werd voor het eerst vervaardigd te Groningen in 1973. Het is een van de weinige gekende 1,2-dioxetanen die stabiel zijn. Daarna ga je de stof verwarmen tot 200 °C. Bij deze temperatuur zal de stof snel uiteenvallen in twee stukken waarvan 1 licht uitstuurt.

Na bereiding van dioxetaan worden 3 plaatjes doordrenkt met de stof. Bij twee ervan wordt een kleurstof toegevoegd.

Daarna worden de plaatjes verwarmd tot 200 °C en wordt de luminescentie in het donker bekeken. De kleur van het uitgestuurde licht wordt genoteerd.

Uit de theoretische tekst voor de leerlingen:

Tegenwoordig worden klassieke materialen zoals hout en metaal vaak vervangen door conventionele isolerende polymeren (of plastics) omdat deze laatste lichter en sterker zijn. Bovendien zijn ze gemakkelijk chemisch te wijzigen en kunnen ze bij lage temperaturen bewerkt worden. Sinds de jaren vijftig van vorige eeuw spitste de studie van organische halfgeleiders zich toe op kleine organische moleculen in kristallijne toestand. Deze zijn echter slechts matige halfgeleiders, waardoor ze eerder als exotische verbindingen met geringe toepassingsmogelijkheden beschouwd werden.

Men moest wachten tot 1977 vooraleer men de geleidende eigenschappen van polyacetyleen ontdekte. Deze verbinding is een zogenaamd geconjugeerd polymeer, gekenmerkt door de afwisselende enkele en dubbele bindingen tussen de koolstofatomen (figuur 1). In 2000 werd voor deze ontdekking de Nobelprijs voor scheikunde toegekend.

De ontdekking aan de universiteit van Cambridge van

a)     veld-effect transistoren en van

b)     elektroluminescentie van polyfenyleen-vinyleen dioden op basis van geconjugeerde polymeren gaf op het einde van de jaren 80 de belangstelling voor polymere halfgeleiders een nieuw elan.

De figuur  geeft je de schematische structuur van dergelijke polymere, lichtuitzendende diode (PLED).

Een typische PLED bestaat uit een dunne laag van een geconjugeerd polymeer, gesandwiched tussen twee elektroden, waarbij het geheel gemonteerd is op een glazen plaatje

Experimenteel ging vooral de aandacht naar PLED's die het geconjugeerde polymeer polyfenyleen- vinyleen (PPV), of een derivaat ervan, bevatten.

Men brengt een laagje PPV aan op een indium-tinoxide elektrode, die tevens de anode vormt. Bovenop het polymeer komt een kathode, die bestaat uit een (verdampt) metaallaagje, waarvoor men vaak calcium gebruikt.

Wat maakt dergelijke polymeren nu zo aantrekkelijk? Door het toevoegen van bepaalde zijketens aan de hoofdketen van het polymeer, kan men het oplosbaar maken in gewone organische oplosmiddelen. Zodoende beschikt men over het materiaal in vloeibare vorm, waardoor elektronische componenten beschikbaar worden vanuit de fles!

Volgens de doorlaatrichting worden elektronen vanuit de kathode en positieve gaten vanuit de anode in het polymeer gestuurd).

Onder invloed van het elektrisch veld bewegen de positieve en de negatieve ladingsdragers zich doorheen het polymeer, totdat ze elkaar ontmoeten. Op dat ogenblik verdwijnen ze en wordt er licht uitgezonden.

De werking van een PLED wordt dus bepaald door 3 processen: injectie van de ladingen, transport van de ladingen en recombinatie.

Daarna volgt de werkwijze om de PLED te maken en volgt het tweede experiment, nl. het meten van het uitgestuurde licht in functie van het vermogen.

Verbind de positieve pool van een spanningsbron met de indium-tinoxidelaag (niet met de PVV laag!). De negatieve pool van de spanningsbron wordt ZACHTJES verbonden met de indium-tinlegering. Drijf nu ZEER LANGZAAM de spanning op totdat de PLED oplicht. Indien jullie te snel de spanning opvoeren kan je PLED onherroepelijk beschadigd worden! Je mag zekerde 20 volt niet overschrijden.
Registreer de spanning en de stroomsterkte en bereken het geabsorbeerde elektrische vermogen. Indien je PLED niet werkt de bovenstaande werkwijze herhalen, maar maak contact op andere plaatsen. Indien het dan nog niet lukt vraag je hulp aan een assistent.

Men gebruikt een fotodiode om de hoeveelheid licht te bepalen, die wordt uitgezonden door de PLED. De spanning over de diode is een maat voor de lichtintensiteit.

Voer een reeks metingen uit om het verband te leggen tussen de intensiteit van het door de PLED geproduceerde licht  en de het geabsorbeerde elektrische vermogen. Geef jullie metingen in tabelvorm en teken een grafiek.

Klik hier wanneer je de volledige (originele) Engelse versie van de tweede opdracht wil downloaden : EXP. 2 (pdf)

Tot zover de experimenten.

Bij het evalueren wordt veel belang gehecht aan grafische vaardigheden: het maken en interpreteren van grafieken bij het eerste experiment kostte onze Vlaamse ploeg heel wat punten. Ook het uitvoeren van het experiment - het minutieus pipetteren van kleine hoeveelheden - viel wat tegen.

Het tweede experiment over chemoluminescentie en de PLED daarentegen was een voltreffer. Niet alleen hebben onze leerlingen nauwgezet gewerkt, ook het verslag en de grafische verwerking was deze maal puik werk. Bovendien werden de experimenten als heel boeiend en plezant ervaren. Wetenschappen is cool!

In het totaal namen 19 teams uit 7 landen deel aan de olympiade, nl. Duitsland (de winnende teams), Nederland, UK, Ierland, Spanje, Zweden en België. Er waren waarnemers uit diverse andere landen waaronder Tsjechië, Malta en Griekenland.

Twee Duitse teams behaalden een schitterende score van meer dan 90% en gingen terecht met goud naar huis. Een tweede groep behaalde scores tussen 60 en 80% en kreeg zilver.

Het resultaat voor onze Vlaamse ploeg die 66,25% wist te behalen was een verdiende 7^de plaats. Een derde groep kreeg brons.

Goud, zilver en brons waren deze keer niet letterlijk te nemen: de trofee was geen medaille maar een mooie glazen kubus waarin met behulp van laserstralen een wereldbol gegraveerd was, samen met de tekst EUSO Olympiad 2004 Groningen, alsmede de vermelding goud, zilver of brons.

Het Belgische team

Los van het feit dat onze leerlingen voor een weekje wetenschapper waren, was er uiteraard de fantastische ervaring om met jongeren van andere Europese landen samen te zijn. Tussen de labo's in was er tijd voor sport, ontspanning en stadsverkenning.

Terwijl de begeleiders evalueerden en delibereerden over de uitslag en de rangschikking trok de gehele troep leerlingen naar Schiermonnikoog.

Maar deze conclusie laat ik graag aan de leerlingen zelf over:

"En zo ging het ook, de tweede proef liep als van een leien dakje al moesten we op het einde weer doorwerken om het af te krijgen. Die avond werd in de bar van het hotel nagepraat, gekaart, geschaakt,…Het contact met de studenten uit andere landen is echt wel een leuke ervaring.

Donderdag maakten we een daguitstap naar Schiermonnikoog, één der Waddeneilanden, de moeite waard! Een fietstochtje door de duinen, een tijdje vertoeven op het strand, van een ijsje smullen in het dorp en een boottocht terug naar Lauwersoog. Na het eten opnieuw een multiculturele avond en de meeste zagen hun bed een beetje later dan op de andere avonden...

We kunnen besluiten dat we een zeer toffe, boeiende en erg belangrijke ervaring beleefd hebben."

Volgend jaar gaat de Europese wetenschapsolympiade door te Praag. De selectie van het Vlaamse team gebeurde dit jaar op basis van een ingestuurd project dat door de leerlingen werd toegelicht en verdedigd. Het bekroonde project voor 2004 was "Productie van biogas uit kippenmest".

Wij doen nu al een warme oproep naar alle leraren wetenschappen om leerlingen uit 4des en 5es aan te moedigen een wetenschappelijk project experimenteel en theoretisch uit te werken en te kandideren voor een reisje naar Praag!

De leerlingen mogen op 31-12-2004 de leeftijd van 17 niet bereikt hebben. Op het Vlaams Congres van Leraars Wetenschappen van 13 november 2004 kan men kennismaken met het Vlaamse EUSO-team.

Verslag: Sonja De Craemer.