Als het gaat om nanotechnologie is Enschede het centrum van de wereld. Onderzoekers van de Universiteit Twente werken hier aan de ontwikkeling van revolutionaire producten als oprolbare smartphones en elektriciteitopwekkende kleding. Speciaal voor New Scientist-lezers opende de technische universiteit op woensdagmiddag 16 april de deuren van haar gloednieuwe en hypermoderne NanoLab.
Voor wie zich allerlei wilde voorstellingen maakt bij de term ‘zwevende vloer’, valt de realiteit misschien wat tegen. Als we door een traverse van het onderwijsgebouw naar het NanoLab lopen en de trap afdalen naar de begane grond, is het tevergeefs zoeken naar een zwevende constructie.
Het enige zichtbare bewijs dat er iets bijzonders met het gebouw aan de hand is, bestaat uit de bevestiging van de trappen. Masterstudent Henk-Willem Veltkamp, een van de drie rondleiders van vanmiddag, wijst ons op een van die trappen, aan het eind van de gang. In tegenstelling tot de trap waar wij vanaf zijn gekomen, steunt die niet op de vloer, maar hangt met kabels aan het plafond. ‘In dat gedeelte van het gebouw vindt het meest fijngevoelige onderzoek plaats,’ legt Veltkamp uit. Zelfs de schokken van mensen die de trap afdalen, zouden het onderzoek kunnen verstoren.
Hoe axionen donkere materie (en andere mysteries) kunnen verklaren
Een hypothetisch deeltje genaamd het axion zou een verklaring kunnen bieden voor donkere materie en tal van andere verschijnselen.
De werkelijke bouwkundige aanpassingen zijn ondergronds, en daarmee onzichtbaar. Over de lengte van de gang loopt de dikte van de vloer geleidelijk op van 30 centimeter tot 90 centimeter. Die vloer ligt los van de muren eromheen en steunt – lees: zweeft – op bijna 400 heipalen die onder een zorgvuldig uitgedachte hoek de grond in zijn geslagen.
Dat alles is natuurlijk niet voor niets. In het NanoLab construeren onderzoekers van de Universiteit Twente materialen en objecten van bouwsteentjes die kleiner zijn dan een miljardste van een meter. Dat is de schaal van atomen en moleculen. Aan bouwprocessen met dergelijke kleine bouwsteentjes zijn een aantal strikte voorwaarden verbonden. Bijvoorbeeld dat de experimenten zo min mogelijk mogen worden verstoord door trillingen van buitenaf, aangezien atomen daardoor van hun plaats kunnen komen.
‘Het schijnt dat als dit NanoLab niet hier in Twente maar dichter aan de kust had gelegen, bijvoorbeeld in Utrecht, we nooit de nauwkeurigheid hadden kunnen bereiken die we nu hebben’, aldus Veltkamp. ‘Golven zorgen voor trillingen in de aardkorst.’
Dat klinkt ongelofelijk, maar vibraties in de aardkorst leggen soms lange afstanden af. Naschokken van aardbevingen waarvan het episch centrum in Italië ligt, meer dan 800 kilometer verderop, worden geregistreerd door meetapparatuur van het Twentse NanoLab.
Clean room
In het hart van het onderzoekgebouw ligt de ‘clean room’. Met meer dan 1000 m2 aan oppervlakte is het verreweg de grootste afdeling van het NanoLab, en bovendien een van de schoonste niet-vacuüm plekken op aarde. Wie toegang tot die afdeling wil krijgen, moet eerst beschermende kleding aan, bestaande uit een overall met capuchon, laarzen, en handschoenen.
Die beschermende kleding is, voor alle duidelijkheid, niet bedoeld om personen te beschermen tegen gevaarlijke stoffen. Feitelijk is het andersom: de materialen moeten worden beschermd tegen de mensen. ‘Een persoon die normaal beweegt stoot gemiddeld zo’n 10 miljoen minuscule deeltjes per minuut af’, vertelt Veltkamp. ‘Met die beschermende kleding is dat aantal teruggebracht tot 10.000 deeltjes per minuut.’
Dat aantal vormt nog steeds een serieuze bedreiging voor de zuiverheid van nanoproeven. Maar actieve luchtzuiveringsinstallatie zorgt voor een continue doorstroming van lucht. Dat maakt dat deeltjes niet lang in de clean room circuleren en daardoor nauwelijks te kans krijgen om te hechten aan onderzoeksmaterialen.
Er heerst een wat buitenaardse sfeer in die clean room. Het licht is geel van kleur, en de apparatuur doet denken aan het meubilair van een ruimtestation. In de verschillende compartimenten bewegen zich gedaantes in witte, groene en blauwe pakken. Door die beschermende pakken, het surrealistische licht en de futuristisch ogende apparatuur lijkt het alsof die gedaantes zich op een andere planeet bevinden.
Maar dan wel een klimatologisch aangename planeet, zo benadrukt Veltkamp. Met een constante temperatuur van 20 graden en een luchtvochtigheid van 45 procent is het aangenaam toeven in de clean room, zelfs in de niet-ademende pakken. Dat men voor de ramen en voor de TL-buizen gele lichtfilters heeft aangebracht, is om interactie met lichtgevoelige platen te voorkomen. ‘Je kunt dat vergelijken met een donkere kamer waarin men vroeger foto’s ontwikkelde’, zegt Veltkamp. ‘Daar gebruikte men geen geel maar rood licht, maar het idee is hetzelfde.’
Hij wijst op een apparaat waarnaast een van Veltkamp’s medestudenten, gekleed in een wit pak, in een computerscherm tuurt. ‘Dit apparaat alleen al is al 2 miljoen euro waard.’ De totale waarde van alle apparatuur in het NanoLab samen bedraagt 80 miljoen euro. Dat is dubbel zoveel als het gebouw zelf, dat 40 miljoen euro gekost heeft.
‘En studenten mogen zelfstandig met die apparaten aan de slag?’, vraagt een van de New Scientist-lezers ongelovig. Ja dus, maar dan wel na een lange reeks cursussen en introductielessen, licht Veltkamp toe.
Ongekende mogelijkheden
Dat studenten al tijdens hun masterfase peperdure apparatuur mogen gebruiken om hun eigen experimenten uit te voeren, geeft de ongekende mogelijkheden weer voor studenten nanotechnologie, studenten zoals Veltkamp zelf. Voor wie ondernemend is ingesteld liggen de kansen voor het grijpen, zowel binnen als buiten de wetenschap.
In een college voorafgaand aan de labtour, heeft nanowetenschapper Dave Blank een aantal veelzeggende statistieken laten zien. Blank is directeur van MESA+, zoals het Twentse instituut voor nanotechnologie officieel heet. Sinds de oprichting in 2009 heeft MESA+ al meer dan 50 spin-off-bedrijfjes voortgebracht. Veel van die bedrijfjes worden gerund door studenten of alumni.
De groei van het nanotechnologie-onderzoek in Nederland – niet alleen in Enschede, maar ook in Groningen, Eindhoven en Delft – blijft internationaal niet onopgemerkt. Uit een mondiaal overzicht van het aantal patentaanvragen op het gebied van nanotechnologie, blijkt dat één land er met kop en schouders bovenuit springt. Dat land is Nederland.
Dat de gewone Nederlandse burger nog niet veel van al die patentaanvragen heeft gemerkt, is slechts een kwestie van tijd. ‘Over 5 jaar loopt iedereen met oprolbare smartphones en tablets’, voorspelt Blank. ‘En kun je bij de HEMA nanotechnologie-onderbroeken kopen.’
Een veelbelovend voordeel van dergelijke nanotechnologiekleding is dat de atomen zo kunnen worden gerangschikt dat ze, gebruikmakend van onze eigen lichaamstemperatuur, elektriciteit op kunnen wekken. Dezelfde techniek kan worden gebruikt om pacemakers te maken die door een hartpatiënt zelf kunnen worden opgeladen, eenvoudigweg door een koud washandje tegen de borst te drukken.
Dankzij nanotechnologie kunnen onderzoekers nu materialen fabriceren die zowel transparant als geleidend zijn. In de natuur zijn materialen ofwel geleidend ofwel transparant. Glas geleidt bijvoorbeeld niet. Nanowetenschappers ontwikkelen materialen die beide eigenschappen bezitten. Zonnecellen zullen daarmee veel efficiënter worden.
Nanopil
Zelfs het namaken van organische weefsels behoort tot de mogelijkheden. Het doel daarvan zal dan niet zozeer zijn om die nieuwe weefsels, zoals synthetische longweefsels, in te brengen in een mensenlichaam, maar eerder om dat synthetische biomateriaal te gebruiken als substraat om de effecten van nieuwe geneesmiddelen te testen. Langdurige klinische trials met proefpersonen worden daarmee overbodig.
Dit laatste voorbeeld illustreert meteen ook de onderzoeksfocus van MESA+. De vier Nederlandse universiteiten die zich bezighouden met nanotechnologie, proberen de taken onderling te verdelen, zodat het werk niet dubbel wordt gedaan. Zo ligt in Delft de focus op de ontwikkeling van razendsnelle quantumcomputers, die onze bankcodes in milliseconden kunnen kraken. In Enschede ligt de nadruk op biomedische toepassingen.
Het toverwoord daarbij is ‘lab-on-chip’. Dat zijn een soort chips die geheel zelfstandig medische testen kunnen uitvoeren, zoals het meten van bloedsamenstelling, of het testen op de fertiliteit van spermacellen. Het zijn daarmee dus eigenlijk minuscule laboratoria, klein genoeg om in een pilletje te passen. Stel dat het vermoeden bestaat dat een persoon leidt aan darmkanker, dan kan die persoon daarover zekerheid verkrijgen door zo’n nanopilletje in te slikken. Aangekomen in de darm, zal het pilletje wat darmvocht opnemen en dat vervolgens screenen op de aanwezigheid van tumor-DNA of -RNA. Mocht er onverhoopt een match gevonden worden, dan stuurt de pil een signaal naar de mobiele telefoon van de dokter of de patiënt.
Maar daarmee is het verhaal nog niet klaar. Als een nanopil een tumor kan detecteren, zo is het idee, dan kun je die de tumor ook meteen uit de weg ruimen door heel gericht een medicijn af te geven. Het voordeel daarvan – van targeted medicine, zoals het ook wel genoemd wordt – is natuurlijk dat het medicijn alleen wordt afgegeven daar waar het nodig is. Alsof dat alles nog niet genoeg is zal zo’n nanopil, net zoals we eerder zagen voor kleding, zichzelf kunnen opladen met behulp van lichaamswarmte.
Met zo’n veelvoud aan mogelijke toepassingen van nanotechnologie is het volgens Blank een goede zaak dat sinds vorig jaar Europese regelgeving bestaat op dit gebied, ook al is die op dit moment misschien nog wat doorgeslagen. Hij refereert aan het feit dat veel van de aanwezigen in de zaal voor aanvang van het college een kopje koffie zullen hebben gedronken. ‘In de nabije toekomst kunnen wij koffiekopjes maken die nog voordat je het kopje leeggedronken hebt, jouw DNA-profiel hebben uitgelezen.’
New Scientist heeft nog meer evenementen op de agenda staan. Bekijk snel onze evenementenagenda!
Lees verder: