TIEN DOORBRAKEN: VAN SLIMME MATERIALEN TOT EFFICIËNTE PLANTEN

8 Onderscheid natuur en ding vervaagt

Natuurlijke materialen die zelf groeien, als alternatief voor schaarse grondstoffen.

Medium 8 slim materiaal 300

We vinden het de normaalste zaak van de wereld dat we kunnen beschikken over materialen die in de natuur niet bestaan en die wij zelf hebben gefabriceerd. Denk aan plastics: wie kan zich het leven daarzonder nog voorstellen? We danken dit aan scheikundigen en fysici, die chemische reacties inzetten om moleculen in nieuwe combinaties samen te brengen opdat zich nieuw materiaal vormt. Het einde daarvan is nog lang niet in zicht. Naarmate we beter begrijpen hoe complexe moleculen zich gedragen – bijvoorbeeld wanneer ze zich hechten of elkaar juist afstoten – kunnen we materialen bouwen met de eigenschappen die we ons wensen. Wat begon met de transformatie van olie tot benzine vertaalt zich inmiddels in polymeren die zo sterk zijn dat ze staal in constructies kunnen vervangen.

Een paar trends domineren het vakgebied dat zich ophoudt tussen scheikunde en fysica. De inzet van natuurlijke materialen als alternatief voor schaarse (delf)stoffen is er een van. Zoals de Wageningse wetenschapper Martien Cohen Stuart schrijft: ‘Als we op planeet aarde werkelijk duurzaam willen leven, moeten we het gebruik van delfstoffen opgeven of sterk ­reduceren, en gebruik gaan maken van ­elementen die ­circuleren in de biosfeer.’ Met zijn vakgroep Soft Matter sciences, zoals deze discipline zichzelf heeft gedoopt, richt Cohen Stuart zich op de bouw van materialen en voorwerpen uit beschikbare ‘groene’ uitgangsstoffen, zoals biomassa of licht. Hij experimenteert daartoe met de samenstelling van veelal complexe (groepen) moleculen, onder meer aan de hand van computersimulaties. Het levert verrassende resultaten op. Cohen Stuart noemt bijvoorbeeld het televisiescherm dat is gebouwd uit nieuwe materialen die elektriciteit kunnen geleiden en licht kunnen geven, en dat inmiddels op de markt is.

De nieuwste trend is nu om biomassa te gebruiken als basis voor polymeren. Daar verwijst ook de Eindhovense scheikundige Rutger van Santen naar. Hij meldt dat bij het Amsterdamse bedrijf Avantium, een joint venture van diverse chemische multinationals, recentelijk een biologisch afbreekbaar polymeer is ontwikkeld ter vervanging van de plastic, en dus niet biologisch afbreekbare, petfles. Er zijn op dit vlak meer successen, schrijft Van Santen. Hij noemt de ontwikkeling van materialen die elektriciteit snel en efficiënt kunnen opslaan in batterijen, nuttig voor de opmars van de elektrische auto. Sowieso is het hergebruik van energie een thema. Van Santen verwijst onder meer naar de grootschalige inzet van zonne-energie als alternatieve energiebron. Waterstof kan worden gebruikt om de mogelijkheden van biomassa te exploreren.

Wat wordt de volgende stap? Cohen Stuart denkt niet aan één stap, maar aan een reeks stapjes met als doel moleculen collectief in beweging te krijgen met behulp van licht of elektrische spanning. Zo’n ontwikkeling zou voortbouwen op het baanbrekende werk van de Groningse hoogleraar organische chemie Ben Feringa. Deze ontwikkelde rond de eeuwwisseling een door licht aangedreven moleculaire motor en wist vervolgens dat molecuul aan een goudbolletje te verbinden, dat daadwerkelijk werd voortgedreven. Het is een begin, concepten voor collectieve aandrijving zijn nog primitief, schrijft Cohen Stuart. Maar als het lukt, bouwen we uiteindelijk materiaal dat zich gedraagt als kunstmatige spieren, ‘een prachtig alternatief voor de verbrandingsmotor’, schrijft hij.

In dit vakgebied speelt nog een tweede veelbelovende trend, waar de Amsterdamse onderzoekster Mirjam Leunissen zich vooral over buigt: de zoektocht naar zelf-assemblerende materialen. Het idee is om stoffen te stimuleren zichzelf spontaan te vormen uit kleine bouwstenen, precies zoals dat in de natuur gebeurt. Het gaat dan om ultrakleine deeltjes, zogeheten micro- en nanodeeltjes, die vanzelf samen­komen in grote, geordende structuren met bijzondere materiaaleigenschappen. Daar gaat natuurlijk veel onderzoek aan vooraf, dat met de komst van kunstmatig samengesteld dna een enorme impuls heeft gekregen, omdat de zelf­organisatie van de kleine deeltjes relatief makkelijker kan worden aangestuurd.

Uiteindelijk creëren wetenschappers langs deze weg materialen die groeien, zichzelf aanpassen, of die reageren op prikkels uit hun omgeving. Dit brengt zo veel mogelijk­heden met zich mee dat het onderscheid tussen natuur en ding vervaagt; ze werken immers op dezelfde manier. Mirjam Leunissen en collega’s zijn de grens al dicht genaderd: ze slaagden erin levenloos materiaal te maken dat zichzelf vermenigvuldigt, net als levende cellen. Dit materiaal leert zich, in de woorden van Rutger van Santen, te ontwikkelen langs de lijnen van de evolutie, zoals we die kennen uit de biologie. De lijst potentiële toepassingen is schier eindeloos: metaaldeeltjes met speciale optische of magnetische eigenschappen, nuttig voor computers, of materialen die reageren op behoeften van de mens, handig voor allerhande biomedische toepassing.


Tekening: Femke van Heerikhuizen