Nanotechnologie: size matters!

Materialen zijn opgebouwd uit moleculen die weer zijn opgebouwd uit atomen. Soms zijn ze opgebouwd uit één atoomsoort, zoals zuiver goud of koolstof. De bouwstenen (moleculen en atomen) bepalen de eigenschappen van het materiaal. Dat leek allemaal heel duidelijk, totdat zo’n vijftig jaar geleden bleek dat op nanometer schaal (een nanometer is een duizendste millimeter) diezelfde materialen heel andere eigenschappen kunnen hebben.

Het onderzoek op deze ultrakleine schaal is de afgelopen jaren in een stroomversnelling geraakt. Nanotechnologen proberen materialen op nanoschaal te begrijpen en er toepassingen van te maken. Zij maken het schijnbaar onmogelijke mogelijk: motortjes die zo klein zijn dat ze in je cellen kunnen werken, zonnecellen die 500 keer dunner zijn dan een haar en bolletjes die een geneesmiddel in de juiste lichaamscel afleveren. De nanofoon opstelling in de vaste Science LinX expositie laat je zien hoe een aantal nanomaterialen zijn opgebouwd. Via de telefoon krijg je uitleg over wat je ziet.

Eenzame moleculen
Nanotechnologie maakt gebruik van het feit dat moleculen op nanoschaal anders reageren dan op microschaal of groter. Dat effect is een beetje te begrijpen wanneer je denkt aan ijs: als ijs smelt, smelten de buitenste lagen het eerst. Dat komt doordat de bevroren watermoleculen daar minder buren om zich heen hebben die hen beïnvloeden. Zo is het ook met materiaal op nanoschaal: er zitten maar een paar moleculen of atomen bij elkaar. Die eenzame moleculen beïnvloeden elkaar wel, maar lang niet zo sterk als in grotere verzamelingen moleculen of atomen.

Een bekend voorbeeld is grafeen, een plat, zeshoekig koolstofmolecuul, dat eruit ziet als kippengaas. Dit superdunne molecuul heeft bijzondere eigenschappen: het is sterker dan staal, geleidt stroom beter dan koper en is superflexibel. Bijzonder, helemaal als je bedenkt waar het materiaal vandaan komt: grafeen is de bouwsteen voor het grafiet van een gewoon grijs potlood. Als je een potloodstreep met plakband laag voor laag afpelt, houd je grafeen over. Maar grafiet heeft heel andere eigenschappen dan grafeen: het is juist één van de zachtere koolstofvormen, en zoals iedereen weet breken potloodpunten gemakkelijk en zijn ze zeker niet sterker dan staal of superflexibel.

Bijzondere eigenschappen, bijzondere toepassingen
Veel nanotechnologen richten zich vooral op de bijzondere eigenschappen van moleculen op nanoschaal: flexibeler, sterker, betere geleiders en bijzondere magnetische eigenschappen bieden allerlei mogelijkheden. En dat is niet alleen toekomstmuziek. Volgens de voedsel- en warenautoriteit waren er in 2010 al zo’n 140 zogenaamde nanoproducten op de markt.

Even een paar voorbeelden om je een beeld te geven: zelfreparerende lak voor auto’s, nanocoatings die zorgen dat ramen of brillenglazen niet vies worden, tennisrackets versterkt met grafeen en nanodeeltjes van ijzeroxide in sokken, die de groei remmen van bacteriën die verantwoordelijk zijn voor de penetrante zweetvoetenlucht. Medische toepassingen zijn er ook, zoals nanodeeltjes die aan een kankergezwel hechten waardoor dit beter zichtbaar wordt op een MRI scan.

Er zijn nog wel wat vragen rond nanotechnologie: juist omdat de eigenschappen op nanoschaal anders zijn, heb je speciale tests nodig om te onderzoeken of nanoproducten veilig zijn. Grafiet uit een potlood is onschadelijk, dat weten we, maar hoe testen we of grafeen veilig is? En wat zijn de gevolgen voor het milieu als nanodeeltjes in het afvalwater terecht komen? Daarom doet het Rijksinstituut voor Volksgezondheid en Milieu (RIVM) onderzoek naar bijvoorbeeld nanotechnologie in voeding.

Moleculaire machines
Naast het maken van nieuwe materialen is er nog een vorm van nanotechnologie: het maken van moleculaire machines. Die zijn bepaald niet nieuw, de evolutie heeft ze miljarden jaren geleden al uitgevonden. Iedere cel in je lichaam zit vol met dit soort machientjes! Ook hier geldt dat een moleculaire machine niet zomaar een kleine versie van een gewone machine is.

Wetenschappers hebben kleine motortjes gemaakt, van draaiende rotors tot een straalaandrijving, schakelaars die een molecuul van vorm doen veranderen maar ook poriën die gecontroleerd open of dicht gaan. Zo’n porie kun je inbouwen in een blaasje dat medicijnen bevat, en open laten gaan op de plek waar dat middel nodig is.

Een belangrijke pionier op het terrein van moleculaire motoren is de Groningse chemicus Ben Feringa. Hij presenteerde in 1999 de eerste door licht aangedreven moleculaire motor en twaalf jaar later zelfs een ‘4 wheel drive’ moleculaire autootje!

Spannend onderzoek
Feringa is niet de enige Groningse wetenschapper die zich bezighoudt met nanotechnologie. Natuurkundigen, scheikundigen en biologen ontwerpen en bouwen dagelijks uit op nanoschaal. Binnen het Zernike Institute for Advanced Materials (ZIAM) werken ze bijvoorbeeld aan materialen die energie oogsten uit beweging, en aan de eerder genoemde schakelbare poriën.

Scheikundige Kees Hummelen ontwikkelt plastic zonnecellen die zo flexibel zijn dat je ze in kleding kunt verwerken. Natuurkundige Bart van Wees is een van de projectleiders binnen een Europees megaproject dat nieuwe toepassingen zoekt voor het eerder genoemde ‘wondermateriaal’ grafeen. Voor het totale project, dat tien jaar loopt, is maar liefst een miljard euro beschikbaar! En Ben Feringa heeft zijn moleculaire motor omgebouwd tot een schakelaar waarmee hij medicijnen ‘aan’ of ‘uit’ kan zetten. Bij de medische faculteit wordt bijvoorbeeld gewerkt met nanodiamanten, die vrije radicalen zichtbaar maken. Deze vrije radicalen zijn onmisbaar bij onze afweer tegen indringers, maar kunnen ook schade veroorzaken die bijdraagt aan de negatieve gevolgen van veroudering.

En ten slotte zijn er ook RUG-wetenschappers die juist de natuurlijke moleculaire machines in cellen bestuderen, om beter te begrijpen hoe ze werken. Wie weet zijn ze met wat aanpassingen in nuttige toepassingen te gebruiken. Er valt nog veel te ontdekken op de schaal van het hele kleine!

Auteur
René Fransen en Christine Dirkse