Natuurkunde Scheikunde

Hoe laat je complexe patronen en structuren spontaan ontstaan? – Wim Noorduin

Wim Noorduin van AMOLF vertelt hoe hij en zijn groep aan de hand van o.a. neerslagreacties en het sturen van licht allerlei nieuwe structuren met unieke eigenschappen laten zelfassembleren.

Luister naar dit interview via Apple Podcasts, Google Podcasts of Spotify!

Wim Noorduin leidt de groep Zelf-Organiserende Materie binnen het natuurkundig onderzoeksinstituut AMOLF. Zijn onderzoek richt zich op de dynamische interactie tussen chemische reacties en kristallisatie fenomenen om de verschijning van complexiteit in de vaste toestandsfase te beteugelen. Dat klinkt heel ingewikkeld, maar valt in de praktijk rustig uit te leggen. Het doel is om structuren spontaan te laten ordenen en ontstaan. Zie het zo: talrijke combinaties van scheikundige reacties en kristallisatie maken een oneindig pallet van patronen en vormen mogelijk. Wim en zijn groep pluizen fysisch-chemische protocollen uit voor de spontane zelforganisatie van deze mogelijke patronen en vormen, wat resulteert in de ontdekking van nieuwe functionele moleculen en apparaatjes op een microschaal. Het begrijpen van deze zelfassemblage processen is niet enkel van belang voor fundamentele wetenschappelijke interesse, maar kan ook een grote invloed krijgen op de toekomstige fabricage van moleculen en nano-materialen. Maar waar begin je bij de ontwikkeling van zo’n spontaan proces?

Credits: Lukas Helmbrecht

Meest recent

Het Inzicht

Als ik jullie groepspagina op AMOLFs website opzoek, komen een paar hele mooie filmpjes naar boven. Bijvoorbeeld van de kristalstructuren die jullie in het lab maken; je ziet o.a. dat de materialen licht kunnen gaan geven nadat jullie er bepaalde chemicaliën aan toevoegen. Ontzettend fascinerend! Maar: een half jaar geleden heb ik jouw collega Bas Overvelde mogen interviewen (ook werkende bij AMOLF) en stelde ik hem vragen over de interessante filmpjes die op zijn website stonden. Hij moest toen eerlijk toegeven dat die filmpjes al een paar jaar oud waren. Vandaar de eerste vraag: waar staan jullie vandaag de dag met jullie onderzoek en zijn de filmpjes die op jullie pagina staan nog steeds up-to-date?

Een schelp die licht geeft onder toevoegingen van de juiste chemicaliën.

We zijn in ons onderzoek altijd verder dan dat er op de website staat; ten minste, dat hoop ik altijd (lacht). Één van de dingen waar we al lange tijd geïnteresseerd in zijn is hoe we met simpele reacties spontane vormen kunnen opbouwen; microscopisch kleine structuren met een 2-dimensionale vorm. Wat we over de afgelopen jaren heen hebben geleerd, is dat we hier chemische patroonvormingsreacties voor kunnen gebruiken. Dit is een heel opmerkelijk fenomeen: je mengt meerdere chemicaliën en ziet dat er spontaan patronen ontstaan, die in ons geval uitkristalliseren. Wij onderzoeken hoe we deze chemische reacties zodanig kunnen sturen opdat er specifieke patronen ontstaan en we deze ook kunnen veranderen terwijl de reactie plaatsvindt. Hierdoor kan je verschillende patronen maken in de tijd; omdat een materiaal neerslaat worden complexe structuren op elkaar gebouwd.  Wij kunnen de structuren op een veel kleinere schaal opbouwen dan wat vóór ons onderzoek mogelijk was. Veel van de eigenschappen van onze structuren zijn maar een paar micrometer groot. Als indicatie: de dikte van één van je haren is ongeveer 50 micrometer. Dat is bijna even groot als zo’n hele structuur die wij bouwen, en dan heeft onze creatie ook nog kleine uitstulpingen.

De gegroeide bloem-achtige patronen en complexe, prachtige structuren uit het lab. Afbeeldingen zijn gemaakt met een SEM, een microscoop die héél erg diep kan inzoomen. Credits: Wim Noorduin.

Wat we geleerd hebben, is hoe we beter leren omgaan met zelfassemblage processen (waarin de structuren spontaan ordenen en groeien). Één van de trucs die we wilden uitvoeren, is het gebruik van licht om lokaal chemische gradiënten (verschillen in concentraties) te manipuleren. Dit is ons heel recentelijk gelukt. Nu kunnen we lichtpatronen op de reactie-oplossing schijnen en heel lokaal veranderen wat daar in de oplossing gebeurt. Hierdoor sturen we precies hoe deze vormen uiteindelijk neerslaan in een bepaalde structuur. We zijn hier erg enthousiast over, omdat je met dit licht allerlei patronen kan maken. Je kunt net als bij ouderwetse dia’s verschillende vormen projecteren die ook veranderen in de tijd. Zo sturen we op hele kleine schaal hoe zo’n zelfassemblerend systeem in steeds complexere vormen neerslaat. Het interessante is dat dit soort lichtpatronen ook gebruikt worden om computerchips te ontwerpen, wat reeds een ver ontwikkelde technologie is. Alleen is een computerchip een redelijk passief systeem, terwijl in ons geval allerlei verschillende elementen bij elkaar samenkomen en vervolgens neerslaan. Deze technologie, die ironisch genoeg reeds ver ontwikkeld is voor computer-gerelateerde toepassingen, kunnen we nu dus ook gaan toepassen op neerslagreacties die geïnspireerd zijn door processen uit de natuur. Bijvoorbeeld hoe schelpen en mineraalachtige materialen zich vormen. Dit is voor ons een heel interessant veld en is iets wat we tijdens de COVID-pandemie ontwikkeld hebben.

Marie-Curie wordt veranderd in een perovskiet mineraal dat licht geeft. Credits: Lukas Helmbrecht et al.

Om gelijk met een botte vraag verder te gaan: de filmpjes en de foto’s zien er echt prachtig uit, en het is natuurlijk razend interessant, maar de man op de straat zou kunnen vragen waar dit nou eigenlijk bruikbaar voor is? Wat willen we hier mee gaan doen?

Jarenlang was een ansichtkaart maken het beste wat je er mee kon doen, of het materiaal uitprinten en aan de muur hangen. Als je die materialen namelijk onder de microscoop bekijkt, ziet het er echt fantastisch uit! Ik ben bijna jaloers op mijn studenten; die mogen er elke dag naar kijken! (lacht). Ik vind het nog steeds lastig om precies te zeggen wat nu de killer-applicatie van deze materialen gaat worden. Máár we kunnen nu materialen maken met een precieze controle over de vorm en sinds een paar jaar ook over de chemische samenstelling. Deze materialen kunnen we assembleren in een 3-dimensionale vorm en, omdat het spontaan gebeurd, heel makkelijk opschalen. Wat je eerst op een microgram-schaal doet, kun je vervolgens makkelijk in grote hoeveelheden maken. Zo creëren we materialen die licht kunnen geven of maken we katalysatoren: materialen die chemische reacties versnellen.  Dit hebben we het laatste anderhalf jaar ontdekt, en nu blijkt dat deze materialen het ook beter doen dan klassiek gemaakte katalysatoren. Ik ben terughoudend met zeggen dat deze technieken “alles gaan oplossen”, maar het schijnt wel licht op een hele andere manier van materiaalproductie. Het biedt perspectieven voor nieuwe functionele materialen, wat heel interessant is om te verkennen.

Daar kan ik me zeker een beeld bij vormen; er liggen nog veel mogelijkheden in de toekomst! Dat leidt mij tot de vraag: hebben jullie concrete doelen waar jullie naartoe aan het werken zijn? Of leven jullie van dag tot dag en bouwen jullie elke dag verder op wat je de dag ervoor ontdekt hebt?

Wij zijn het meest geïnteresseerd in fundamenteel onderzoek. Op zoek naar principes en ontwikkelingen om controle te krijgen over complexiteit. Af en toe komt het natuurlijk wel eens voor dat we een reactie ontwikkelen die wel degelijk op korte termijn tot een toepassing leidt. Zo hebben we in de groep ook processen ontwikkeld die op het moment echt gebruikt worden, met name voor bouwstenen voor geneesmiddelen. Onze verdere fundamentele aanpak staat heel ver weg van een directe toepassing, maar soms is er een bingo-moment en vinden we een heel andere manier om materialen te maken. Ik doe dit onderzoek nu al 15 jaar lang en het is heel moeilijk om te voorspellen wanneer zoiets gebeurt, zeker wanneer je het heel fundamenteel aanpakt. Het is niet makkelijk om te voorspellen dat iets gaat werken en wat tot een praktische toepassing leidt.

Hoe leg jij eigenlijk aan je familie en vrienden uit wat je doet? Jouw onderzoek lijkt me namelijk niet het meest conventionele onderzoek. Het lijkt me lastig om er direct een betekenis aan te hangen of een goed beeld bij te vormen.

Die situatie probeer ik natuurlijk te vermijden (grapt). Ik denk dan: wat we vaak interessant vinden, is hoe spontaan patronen ontstaan. Je loopt bijvoorbeeld over het strand en dan zie je wel eens die fantastische ribbel-patronen in het zand. Maar hoe komen die daar nou? Wat heel intrigerend is, is dat dit soort patronen ook te zien zijn in levende organismen. Denk aan schelpen met allerlei patronen. Het rare is dat je het ook op allemaal verschillende lengteschalen ziet. Op het strand kan je dit patroon nog namaken door netjes te harken, maar het bijzondere is dat je deze patronen ook op een hele kleine schaal kan terugvinden. Dit is natuurlijk heel lastig om na te maken, maar wel heel interessant. We weten dat het kan, want micro-organismen die fantastische, complexe chemische materialen bouwen kunnen het dus kennelijk ook! Wij willen weten wat de chemische regels zijn die er voor zorgen dat je spontaan zulke complexiteit krijgt. Het liefst zoeken we dan ook de lengteschalen uit die heel moeilijk bereikbaar zijn op andere manieren.

Maar goed, meestal is dit veel te ingewikkeld om te vertellen tijdens een feestje. Dan vertel ik ze om op de website te gaan kijken naar de prachtige structuren. Vervolgens vragen mensen vaak: “Maar hoe maak je dat dan?” en dat is een veel makkelijkere vraag om te beantwoorden! (lacht). Ik heb dus soms de luxe om het gesprek om te draaien. Dat werkt het beste.

Als indicatie: de dikte van één van je haren is ongeveer 50 micrometer. Dat is bijna even groot als zo’n hele structuur die wij bouwen, en dan heeft onze creatie ook nog kleine uitstulpingen.

De Wetenschap

Hoe ziet een gemiddelde dag er bij jullie uit? Hoeveel zijn jullie bezig met computationeel onderzoek, hoeveel met theorie en hoeveel tijd spenderen jullie in het lab?

De nadruk ligt bij ons op de experimenten. We doen zeker wat computationeel werk en werken ook samen met specialisten in dat gebied, maar het meeste werk zit hem toch in het lab. Ons werk is namelijk heel conceptueel, en daarom zijn we in het lab best veel ‘aan het aankloten’. We beginnen met een idee over hoe we moeten werken, en dan proberen we gewoon wat. Zo gebruiken we echt hele simpele reacties; veel van die complexe vormen kan je simpelweg groeien in een bekerglas met twee chemicaliën die je bij de drogisterij kan kopen. Dat werkt gewoon, en is wat mij enorm aantrekt. Ik heb groot respect voor wetenschappers die heel ingewikkelde apparatuur gebruiken en veel geduld hebben, maar bij ons ligt de kracht dat het onderzoek relatief simpel is. Hierdoor kun je op een andere manier experimenten doen. Als je kijkt naar onze gemiddelde dag, kan het soms zo zijn dat je in de ochtend een paar experimenten doet, je daarna gaat lunchen en dan na de lunch onder de microscoop gaat kijken naar wat er gelukt is. Zo werkt het heel vaak in de praktijk. Iedere week komen we weer een significante stap verder. Ook omdat de experimenten zo simpel zijn.

Nu schetst zich een beeld in mijn hoofd waarbij jullie een aantal chemicaliën bij elkaar gooien in een beker en samen wat aankloten. Maar er moet toch ergens een begin van het onderzoek zijn? Er moet toch een idee zijn welke chemicaliën gebruikt kunnen worden of welke technieken allemaal toegepast kunnen worden?

Absoluut. Alhoewel de praktische uitvoering simpel is, kost het idee achter de concepten vaak veel tijd. Een grote inspiratie voor mij is om te kijken hoe processen in de natuur werken. Hoe organismen bijvoorbeeld een mineraal maken, wat nog steeds niet goed begrepen is. Hier wordt heel veel onderzoek naar gedaan, en één van de lastige vragen is hoeveel controle dit organisme zelf uitoefent op het plaatsen van de bouwstenen en hoeveel spontaan gebeurt? Dan proberen we gedeeltes van zo’n concept uit de natuur te versimpelen en in een lab uit te voeren zonder het organisme. Het gebeurt vaak heel conceptueel. De keuze van de chemicaliën is niet altijd biologisch relevant; het gaat ons erom dat we concepten kunnen testen. Een rode draad in het onderzoek zijn feedback-gerelateerde processen; processen die zichzelf kunnen reguleren of versnellen. Dit soort processen proberen we aan elkaar vast te koppelen om een bepaald gedrag te verkrijgen. Hoe je autonoom werkende processen kunt produceren, die spontaan materialen opbouwen. Natuurlijk zijn sommige stukken technisch ingewikkeld, zoals bijvoorbeeld het sturen van het licht. Hier zijn we minstens een jaar mee bezig geweest om dit stapje voor stapje voor elkaar te krijgen. De experimenten zijn vaak relatief simpel, maar voor de analyse die er achter zit hebben we veel apparatuur nodig. We moeten bijvoorbeeld inzoomen met speciale microscopen en ook het uitzoeken van de chemische samenstelling is erg ingewikkeld. Dat kan je niet zo makkelijk in je keuken doen.

Wat zie jij als de grootste drempel of complexiteit in jullie werk? Wat is jullie grootste obstakel wat jullie proberen te overkomen in jullie onderzoek?

Er is niet echt een heilige graal in dit onderzoek, maar je loopt op een gegeven moment natuurlijk tegen materialen op die steeds complexer worden. Dan is het niet meer helemaal duidelijk hoe die structuren gemaakt zijn. Tevens is het dan al helemaal moeilijk om zonder voorkennis te zien of het door de natuur is geproduceerd, of door een chemicus in het lab. Dat vind ik intrigerend; je wilt steeds meer dingen leren produceren zoals de natuur dat doet. Dit is volgens mij heel lastig om volledig voor elkaar te krijgen, maar wel waar we naar streven. Niet alleen om het na te maken, maar ook om materialen te maken die de natuur zelf niet kan maken. Materialen met bijzondere chemische eigenschappen; materialen die bijvoorbeeld zonlicht efficiënt kunnen opvangen.

Wat vind jij de grootste bijdrage die je tot dusver hebt mogen leveren aan jouw vakgebied?

Ik denk dat we in onze groep vooral trots zijn op het feit dat we structuren kunnen assembleren in steeds complexere vormen, en dat we die ook kunnen omzetten in verschillende materialen. Die combinatie vind ik heel intrigerend. Dat laat namelijk zien dat er niet alleen mogelijkheden zijn voor de productie van bio-gerelateerde materialen, maar dat de materialen ook een specifieke functionaliteit kunnen krijgen. We zijn echt heel blij dat dit gelukt is.

Hoe lang heeft het geduurd om dit te bereiken?

Het onderzoek heb ik zelf opgezet in 2010, en is vanaf toen stapje voor stapje verder gegroeid tot dit punt. Hier zitten natuurlijk wel verschillende doorbraken tussen, maar ik zie het geheel echt als een groot project dat we samen aan het opbouwen zijn.

Wat heb jij nog als groot doel gedurende de rest van je carrière? Wat zou je nog het allerliefst bereiken?

Dat vind ik een lastige vraag. Ik denk dat ik het het allermooist zou vinden om een ritme te bereiken waarbij we één keer in het jaar een echte ontdekking mogen doen. Ik haal meer plezier uit het echte doen van het onderzoek en het begeleiden van de studenten dan dat ik per se een heilige graal moet behalen. Dat is volgens mij ook niet zo aan de orde in dit vakgebied. Wat ik vooral belangrijk vind, is dat ik verbaasd word. Ik blijf uit de buurt van onderwerpen die wel een meting zijn maar geen experiment. Ik wil niet simpelweg dingen meten, maar experimenten doen die mij kunnen verassen.

Een grote inspiratie voor mij is om te kijken hoe processen in de natuur werken. Hoe organismen bijvoorbeeld een mineraal maken, wat nog steeds niet goed begrepen is.

De Persoonlijkheid

Wat drijft jou om wetenschap te willen doen? Hoe ben jij op dit punt in je carrière terecht gekomen?

Ja, niet echt rationaliteit volgens mij (lacht). Een drijfveer is dat wetenschap eigenlijk een beetje magie lijkt. Dat vind ik heel mooi en heeft me zeker gedreven. Wat ik ook mooi vind, is dat het onderzoek wat we doen aan de ene kant simpel is maar aan de andere kant zelf een eigen wereld opbouwt. Een wereld die je kan controleren en verkennen. Je bent eigenlijk een ontdekkingsreiziger in de micro-wereld. Dat vind ik een bizar en leuk concept.

Je hebt een mooi leven als ik het zo hoor; dat je zo met je passie bezig mag zijn!

Ja, in dit stadium vind ik het ontzettend leuk. Ik doe eigenhandig relatief weinig onderzoek op het moment, en vind het heel mooi dat de studenten die momenteel het onderzoek doen mij mee nemen op deze verkenningstocht. Dat is absoluut iets wat heel bijzonder is aan mijn fase in het werk; je opereert samen als een team. Dat vind ik heel erg leuk!

Hoe goed of hoe slecht zijn we volgens jou momenteel als mensheid bezig in de wereld? En wat heeft de maatschappij momenteel het hardste nodig?

Wat ik jammer vind, is dat we een heleboel slimme mensen hebben die aan irrelevante onderwerpen werken. We hebben volgens mij als mensheid serieuze problemen zoals klimaatverandering en dat we met erg veel mensen op een kleine aarde willen wonen. Dat lijkt me een heel belangrijk probleem. Het is jammer dat we daar niet veel harder op inzetten. Dat is, denk ik, één van de problemen waar we echt serieus mee aan de slag moeten. Als we dit te laat doen, zijn we ook echt te laat.

Vind je dat jouw werk valt onder “werken aan het klimaat”?

Indirect wel, ja. Het is met fundamenteel onderzoek natuurlijk heel lastig om te zien waar het impact gaat hebben. Maar om je een idee te geven: één van de dingen waar we heel erg geïnteresseerd in zijn, is hoe we heel snel structuren kunnen groeien. Het interessante is dat deze materialen opgebouwd zijn uit carbonaatzouten, die o.a. gevormd worden uit CO2. Ik zou me best kunnen voorstellen dat, eens we een manier vinden om CO2 snel te kunnen laten neerslaan, dit best interessant zou kunnen zijn in de discussie over het klimaat. Kortom, er zijn heel veel dingen denkbaar die kunnen meehelpen bij het veranderen van klimaatproblemen. Er kunnen absoluut nog heel veel dingen gedaan worden, maar fundamenteel onderzoek is heel belangrijk voor het leggen van een basis. Zelf als mijn studenten uiteindelijk iets totaal anders gaan doen in hun carrière, hebben ze wel op een manier leren nadenken over problemen die ook kunnen helpen met het oplossen van wereldwijde problemen.

Wat de wereld vanuit mijn perspectief momenteel het hardste nodig heeft, zijn slimme mensen die aan belangrijke problemen werken! En uiteraard moeten we een beetje aardig voor elkaar zijn (lacht). Je moet niet alles de hele tijd te serieus nemen. Dat is echt belangrijk.

Als je één wijsheid aan een zaal vol studenten mocht meegeven, wat zou dit dan zijn?

Zorg dat je altijd blijft leren. Dat is echt het belangrijkste! Daar ben je volgens mij nooit te oud voor. Blijf nieuwe dingen doen en zoek de situaties op die ongemakkelijk zijn voor jezelf, zodat je nieuwe dingen blijft leren.

Zoals altijd sluiten we af met de traditionele DWIN-vraag: Is er een leuk weetje of feitje dat jij kent en waar je ons mee kan verassen?

Misschien een leestip! In mijn boekenkast staat een boek, genaamd “The Inventions of Daedalus”, van David Jones die columns schreef voor Nature. Onder de pseudonaam Daedalus deed hij in deze column allerlei fictieve uitvindingen, en die zijn uiteindelijk gebundeld in het boek. Het bizarre is dat dit boek uit de jaren 80 komt en veel van de uitvindingen uit het boek later daadwerkelijk zijn uitgekomen. Denk aan de Segway, anti-stick oppervlakken, de 3D printer, echt van alles! Oh, en het zijn twee delen!

Die ga ik opzoeken! Wim, ontzettend bedankt voor dit interessante interview!

0 reacties op “Hoe laat je complexe patronen en structuren spontaan ontstaan? – Wim Noorduin

Geef een reactie