Nanotechnologie voor een gezond en welvarend Nederland

Prof.dr. Albert Polman & Prof.dr. Marileen Dogterom
Directeur FOM-Instituut AMOLF & Afdelingshoofd Systeembiofysica
FOM Instituut voor Atoom en Molecuulfysica

Nanotechnologie voor een gezond en welvarend Nederland

Een zonnecel met nanostructuren zet zonlicht efficiënt om in elektriciteit

Lang dachten we dat de wereld van de atomen en moleculen onzichtbaar was. De natuurkundige Richard Feynman was de eerste die vijftig jaar geleden de sluier voor de atomaire wereld verbrak, met zijn visionaire gedachte: There is plenty of room at the bottom. Toch duurde het nog tot het begin van de 21ste eeuw voordat we in staat waren materialen op de atomaire schaal te hanteren. Nadat een aantal pioniers in de jaren 1980 en 1990 al met speciale microscopen afbeeldingen maakten van individuele atomen en moleculen, barstte vanaf 2000 de nanotechnologie pas echt los.

Nano betekent klein, en natuurkundigen gebruiken het begrip voor materialen die iets groter zijn dan een atoom. Op de nanoschaal bestaat een fascinerende wereld die we met het blote oog niet kunnen zien. Kijkend door een elektronenmicroscoop zien we volstrekt verrassende en verfijnde structuren van een miljardste meter in zowel dode als levende materialen.

Nanotechnologie speelt een rol in veel aspecten van ons dagelijks leven, soms zonder dat we het ons realiseren. Met nano-emulsies maken we gezonder voedsel, met nano-membranen schoner water, met nano-elektronica krachtigere computers, met nano-chips snelle bloedanalyses en met nano-biomoleculen kunstmatige gewrichten, om maar een paar voorbeelden te noemen.

Efficiëntere zonnecellen

Twee mooie ontdekkingen op het gebied van nanotechnologie zijn in ons laboratorium gedaan. De eerste betrof een innovatie op het gebied van zonnecellen, die zonlicht omzetten in elektriciteit. Zonnecellen zijn momenteel nog te duur voor een grootschalige toepassing. Dat komt omdat het plaatje silicium, waarvan ze gemaakt zijn, heel kostbaar is. Als je een zonnecel tien tot honderd keer dunner zou kunnen maken worden de materiaalkosten sterk verlaagd. Helaas gaat bij een dunnere zonnecel het licht van de zon deels verloren, omdat het er dwars doorheen schijnt. Wij ontwierpen in ons lab een patroon van nanodeeltjes van zilver of silicium, dat op een dunne zonnecel geprint kan worden. Die verstrooien het zonlicht zo dat bijna al het licht van de zon efficiënt wordt ingevangen. We voeren nu gesprekken met bedrijven over de toepassing van ons ontwerp in fabricageprocessen.

Levende cellen

Microtubuli organiseren het binnenste van een (kunstmatige) cel

Nanotechnologie gaat ook over levende materie. Immers iedere levende cel is opgebouwd uit een complex netwerk van moleculen die de cel zijn vorm en structuur geven. Zij zijn ook verantwoordelijk voor de biologische functies van de cel. Wij doen in ons laboratorium onderzoek naar een specifieke klasse van moleculen die de cel zijn stevigheid geven, de microtubuli. Dat zijn kleine nanobuisjes die kunnen groeien en krimpen en daarmee krachten uit kunnen oefenen die cruciaal zijn bijvoorbeeld tijdens de celdeling. In onze nano-bio-cleanroom bouwden we een kunstmatige cel met daarin microtubuli. In een speciale microscoop maten we de minuscule krachten die duwende en trekkende microtubuli uitoefenen. Door de cel na te bouwen begrijpen we nu tot in detail hoe deze nanobuisjes de organisatie van een levende cel sturen. Om Feynman nog eens te citeren: What I cannot create I can not understand. Op de langere termijn verwachten wij dat ons onderzoek bijdraagt aan de genezing van ziekten zoals kanker, omdat we celdeling beter leren begrijpen.

Zoals boven aangegeven leidt onderzoek op de nanoschaal nú al tot toepassingen die van groot belang zijn voor onze gezondheid en onze leefomgeving. Zonnecellen helpen ons energieprobleem op te lossen. De zonnecelindustrie groeit jaarlijks met 70% en zal de komende tien jaar uitgroeien tot de grootste hightech industrietak in de wereld. Ook de nieuwe LEDs en medische apparaten van Philips, de elektronenmicroscopen van FEI, de lithografiemachines van ASML, de chipproductiemachines van ASMI, zijn allemaal gebaseerd op fundamenteel wetenschappelijk onderzoek bij universiteiten en onderzoeksinstituten. De Nederlandse export op het gebied van deze high-tech systemen en materialen, bedraagt 32 miljard euro per jaar. In Nederland verdienen bijna 400.000 mensen in deze sector hun brood. Evenzo dragen de life sciences bij aan een florerende food en health industry, die ook een enorme bijdrage levert aan onze economie. Nanotechnologie opereert aan het front van de wetenschap en leidt nú al tot toepassingen die van groot belang zijn voor onze samenleving.

Referenties

1. A. Polman and H.A. Atwater, Nature Materials 11, in press (2012)

2. L. Laan, N. Pavin, J. Husson, G. Romet-Lemonne, M. van Duijn, M. Preciado López, R.D. Vale, F. Jülicher, S.L. Reck-Peterson, and M. Dogterom, Cell 148, 502-514 (2012)

Beelden © Amolf/Tremani


Andere bijdragen in Cellen, Energie, Leven maken, Natuur- en Sterrenkunde