Clifford G. Shull keek niet alleen naar atomen. Hij ontdekte hoe hij ze kon zien met behulp van onzichtbare deeltjes die als geesten door vaste objecten glippen.

Shull, geboren in Pittsburgh in 1915, werd een van de belangrijkste figuren in de 20e-eeuwse natuurkunde. Hij stierf in Medford, Massachusetts, in 2001. Maar zijn nalatenschap leeft voort in elke materiaalwetenschapper die moet weten wat er gebeurt in een metaallegering of een kristalrooster.

In 1994 deelde hij de Nobelprijs voor de natuurkunde met Bertram N. Brockhouse. De prijs bekroont een specifieke doorbraak: neutronenverstrooiingstechnieken. In het bijzonder neutronendiffractie.

Dit was niet alleen maar theorie. Het was een hulpmiddel. En het veranderde de manier waarop we materie analyseren.

De Ghost Particle-methode

Om te begrijpen waarom het werk van Shull ertoe doet, moet je het probleem met licht begrijpen. Zichtbaar licht heeft een golflengte. Atomen zijn kleiner dan die golflengte. Met een standaardmicroscoop kun je dus geen individuele atomen zien. Het is alsof je de vorm van een zandkorrel probeert te voelen terwijl je ovenwanten draagt.

Shull gebruikte neutronen.

Neutronen hebben geen elektrische lading. Ze stuiteren niet op elektronen zoals elektronen dat doen. Ze passeren dwars door de elektronenwolken die atomen omringen. Dit maakt ze perfect voor het onderzoeken van de kern en de atomaire structuur zelf.

Shulls methode was elegant. Hij nam een ​​bundel neutronen met één golflengte. Hij vuurde het af op een materiaal. De neutronen raken de atomen in dat materiaal. Zij verspreidden zich.

Het resulterende patroon werd vastgelegd op fotografische film. Dat patroon onthulde de relatieve posities van atomen. Het was alsof je een vingerafdruk kreeg voor materie.

Van Oak Ridge naar MIT

Het carrièrepad van Shull was niet lineair. Hij behaalde zijn B.S. van het Carnegie Institute of Technology in 1937. Vervolgens behaalde hij zijn Ph.D. van de Universiteit van New York in 1941.

Maar het echte werk gebeurde in Oak Ridge National Laboratories in Tennessee.

Van 1946 tot 1955 werkte Shull onder Ernest O. Wollan. Wollan was de pionier op het gebied van onderzoek naar neutronenverstrooiing. Shull bouwde op dat fundament. Hij repliceerde het werk niet alleen. Hij verfijnde het.

Hij demonstreerde magnetische diffractie. Dit was enorm. Hierdoor konden wetenschappers zien hoe magnetische momenten in materialen waren gerangschikt. Dit hielp bij het verklaren van supergeleiding en andere magnetische verschijnselen.

Hij hielp ook bij het ontwikkelen van instrumenten voor routinematige kristallografische analyse. Vóór Shull was neutronendiffractie een niche-experiment. Na hem was het een standaardinstrument.

Waarom het er nog steeds toe doet

Shull verhuisde in 1955 naar het Massachusetts Institute of Technology (MIT). Hij bleef daar tot aan zijn pensionering in 1986. Hij gaf les. Hij deed onderzoek. Hij bleef de grenzen verleggen van wat gemeten kon worden.

Tegenwoordig worden overal neutronenverstrooiingstechnieken gebruikt.

  • Ze helpen bij het ontwerpen van betere batterijen.
  • Ze analyseren stress in vliegtuigvleugels.
  • Ze bestuderen eiwitstructuren voor de ontwikkeling van medicijnen.

Het basisprincipe is niet veranderd. Een straal neutronen raakt een monster. De verspreide neutronen vertellen ons waar de atomen zich bevinden.

Maar de toepassingen zijn geëxplodeerd.

Shull liet ons zien dat als je iets niet kunt zien