Zachte materialen

Prof.dr. Martien Cohen Stuart
Fysische Chemie en Kolloidkunde
Wageningen University

Wat is de belangrijkste wetenschappelijke ontwikkeling in uw vakgebied?

Mijn vakgebied, dat ik wel aanduid als ‘Soft Matter Science’, is een combinatie van chemie en fysica, en gaat over ‘emergente eigenschappen’ van materie, ofwel hoe uit grote aantallen moleculen tezamen, dus als collectief, een stof of materiaal met bepaalde eigenschappen tevoorschijn komt. Als onderwerp is dat op zich niet nieuw; Van der Waals vroeg zich eind negentiende eeuw al af hoe het komt dat moleculen van eenvoudige stoffen als zuurstof of methaan zowel een gas als een vloeistof vormen, en wat de betekenis van temperatuur daarbij is.

De belangrijkste ontwikkeling van de laatste 10 a 20 jaar is dat we emergente eigenschappen nu steeds beter kunnen begrijpen, met name voor stoffen bestaand uit een complexe verzameling van verschillende bouwstenen (de moleculen) die elk op zich ook nog eens een ingewikkelde bouw hebben. Denk bijvoorbeeld aan cellen, de basiseenheden van levend materiaal, aan virussen die niet leven maar wel in staat zijn zich te laten repliceren, of aan speciale materialen waarmee water gezuiverd of ziekteverwekkers gedetecteerd worden. Voor de recente vooruitgang zijn twee ontwikkelingen dragend: (1) nieuwe meetapparatuur die het mogelijk maakt op heel kleine schaal, lees: aan individuele moleculen, niet alleen waarnemingen te doen, maar ook te manipuleren, en zo de krachten te verkennen die binnen een molecuul of tussen moleculen werkzaam zijn; (2) krachtige computers die het mogelijk maken het collectief gedrag van enorme aantallen moleculen, elk met eigen interne complexiteit, vanuit de krachten tussen de kleinste bouwstenen (de atomen) en de invloed van toeval, door middel van simulatie te achterhalen. De laatste jaren is daar de ontwikkeling bijgekomen om met grote precisie moleculen te bouwen; zo ziet men nu kans gentechnologie in te zetten voor het langs biologische weg produceren van zeer grote moleculen met exact gedefinieerde architectuur, een kunststukje afgekeken van de natuur. Een flink deel van mijn eigen onderzoek richt zich op het gedrag van deze precisie-macromoleculen, ik kreeg er van de European Research Council pas nog een forse subsidie voor.

Op welke wetenschappelijke doorbraak hoopt u?

Er is eigenlijk niet een specifieke ‘doorbraak’ waar ik mijn ziel en zaligheid aan heb verpand, maar ik wil wel een voorbeeld geven. Ik verwacht dat we (stap voor stap) zover komen dat we op nanoschaal collectieve moleculaire beweging kunnen opwekken met eenvoudige chemische omzettingen als energiebron, net zoals dat in levende cellen gebeurt door biologische ‘motormoleculen’. In die richting worden al stappen gezet, ook wel met licht of elektrische spanning als energiebron (Feringa), maar de concepten zijn nu nog (te) primitief. Als dit slaagt, zou je materialen kunnen krijgen die zich als kunstmatige ‘spieren’ gedragen, een prachtig alternatief voor de verbrandingsmotor.

Wat is de waarde van uw vakgebied voor de samenleving?

Wat draagt Soft Matter kennis bij aan de samenleving? Als we op planeet aarde werkelijk duurzaam willen leven moeten we het gebruik van delfstoffen opgeven of zeer sterk reduceren. Dat betekent dat we bij voorkeur gebruik maken van de elementen die circuleren in de biosfeer. Om op basis daarvan alle materialen en artefacten, met alle door ons gewenste functionaliteiten te fabriceren moeten we ‘Soft Matter Science’ uitstekend beheersen. We moeten niet alleen weten hoe die functionaliteit ontstaat uit de (multi)moleculaire structuur, maar ook moeten we in staat zijn zulke moleculaire structuren te scheppen uit beschikbare ‘groene’ uitgangsstoffen. Hier zijn tal van voorbeelden van te geven, vaak met een centrale rol voor macromoleculen (ook wel polymeren genoemd). Zo wordt er al volop gewerkt aan nieuwe materialen die elektriciteit kunnen geleiden en licht geven maar waarvoor geen metalen worden gebruikt, zoals Organic Light Emitting Diode (OLED) technologie; er is inmiddels een schitterend 55 inch TV-scherm op de markt dat hierop is gebaseerd. Ook het aantal polymere materialen dat staal als constructiemateriaal kan vervangen is enorm toegenomen, hier zijn bijvoorbeeld ultrasterke vezels bij die op basis van Soft Matter-inzichten zijn ontwikkeld. De trend is nu dat biomassa als grondstof gaat dienen voor de fabricage van polymeren.


Andere bijdragen in Cellen, Energie, Leven maken, Scheikunde