Op de bovenste verdieping van de Linnaeusborg zijn drie fonkelnieuwe laboratoria gebouwd. Daar zullen twee recent aangestelde assistent-hoogleraren licht en elektronen gebruiken om nieuwe moleculen te maken. Met die bouwstenen zullen ze de ‘next generation’ van duurzame materialen creëren. Het is op meer dan één manier een veel schonere manier om alledaagse materialen te maken.

Bij het woord ‘chemie’ zullen mensen vooral denken aan borrelende bekerglazen, reageerbuisjes en vieze dampen in een zuurkast. In de klassieke chemie zijn vaak hoge temperatuur of druk nodig om stoffen met elkaar te laten reageren. Daar volgt ook uit dat chemische fabrieken vaak veel energie gebruiken. Om klimaatverandering tegen te gaan moet de chemie dus veranderen, door duurzame grondstoffen te gebruiken en energiezuinige chemische reacties te ontwikkelen.

Elektronen

Met dat doel is in 2016 het Advanced Research Centre Chemical Building Blocks Consortium (ARC CBBC) opgezet. Het idee hiervoor kwam van Ben Feringa, hoogleraar organische chemie aan de RUG en zijn collega Bert Weckhuysen van de Universiteit Utrecht. Doel van dit centrum, waarin universiteit en bedrijfsleven samenwerken, is om de duurzame moleculen van de toekomst te leveren.

De nieuwe labs in de Linnaeusborg moeten de ARC CBBC onderzoekers hierbij helpen. Ze zijn de werkplek van onderzoekers Sebastian Beil en Michael Lerch. Zij zullen zich allebei richten op nieuwe manieren om moleculen en materialen te maken. ‘We willen duurzamere technieken introduceren’, legt Beil uit. ‘Ik zal bijvoorbeeld synthetische chemie met behulp van elektronen en licht ontwikkelen.’ Met behulp van elektronen maakt hij vrije radicalen, geactiveerde moleculen die gemakkelijk reageren. ‘Dit soort elektrochemie is feitelijk een oude, vergeten techniek’, vertelt Beil. ‘Het werd al in de 19e eeuw gebruikt om geurstoffen te maken. Een jaar of tien, vijftien geleden is de techniek weer afgestoft.’

Legoblokjes

Het gebruik van elektronen in plaats van hitte kost minder energie. En als groene stroom gebruikt wordt is het ook nog eens klimaatneutraal. En dat is maar één van de voordelen van de synthese van moleculen met elektronen, legt Beil uit: ‘Het biedt ook nieuwe manieren om moleculen te bouwen. Een van mijn dromen is om met deze techniek nieuwe aminozuren te maken die bijvoorbeeld in geneesmiddelen zijn toe te passen.’

Zijn collega Michael Lerch zit op hetzelfde spoor. ‘Je kunt allerlei vormen bouwen met legoblokjes. Maar met onze techniek kun je nieuwe legoblokjes maken, bouwstenen waar we revolutionaire nieuwe materialen mee kunnen maken.’ ‘Precies’, vult Beil aan. ‘Een ander project is om nitril te maken, reactieve groepen die belangrijk zijn in de polymeerchemie.’ Nitril bestaat uit een stikstofatoom dat via een driedubbele binding aan koolstof vast zit. Om die te maken is nu het giftige cyanide nodig. Door in plaats daarvan licht te gebruiken wordt de reactie veel schoner.

Patronen

Het groener maken van chemische processen is overigens maar een kant van het ARC CBBC programma. Het centrum wil ook nieuwe materialen ontwikkelen die robuuster zijn, zichzelf kunnen herstellen en zelfs aanpassen. Lerch: ‘Mijn ambitie is om chemie te integreren in zachte materialen zodat we er systemen van maken die werken zonder traditionele elektronica.’ Via voorgeprogrammeerde feedback loops kan zo’n materiaal van vorm en functie veranderen, een beetje zoals een embryo zich vanuit een enkele cel ontwikkelt tot een compleet mens met allerlei verschillende organen.

Beil: ‘De materialen die ik wil maken kunnen op die manier bijvoorbeeld specifieke patronen vormen, die hen bepaalde eigenschappen geven.’ Met zo’n techniek zou je ook het patroon op de muur kunnen veranderen zonder deze opnieuw te hoeven schilderen. ‘Onze methodes versterken elkaar’, gaat Beil verder. ‘Michael kan bouwstenen die mijn groep levert samenvoegen en organiseren zodat ze een soort circuit vormen. Zo kun je slimme verf maken, die bijvoorbeeld schadelijke stoffen opmerkt, zich aanpast aan het weer of aan de manier waarop de kamer is ingericht. En alles gemaakt via groene processen.’

Energieverbruik

Een groot voordeel van elektrochemie en fotochemie is dat je met deze technieken een doorstroomreactie kunt maken. Klassieke chemie vindt plaats in reactievaten. Wanneer een reactie klaar is, moet het product overgebracht worden naar het volgende vat. Daarvoor is vaak een zuiveringsstap nodig. Reacties die geactiveerd worden door elektronen of licht verlopen prima in een doorstroom systeem, waarin onderweg verschillende reactiestappen plaatsvinden. Ook dit scheelt in energieverbruik en het produceert minder afval. Beil: ‘En we hebben alleen nog labjassen nodig voor het klaarmaken van de eerst reagentia. Het verdere proces verloopt in een gesloten systeem.’

Beide onderzoekers willen graag materialen maken die sterk en aanpasbaar zijn. Een goed voorbeeld uit de biologie zijn onze botten, die sterker worden bij een hogere belasting. Beil: ‘Denk aan je telefoon, die nu regelmatig updates krijgt. Wij willen materialen maken die je ook kunt updaten, zodat je ze niet hoeft weg te gooien.’

Zie ook:
Scheikundigen maken duurzame coating uit groene grondstof
Vergroening van de chemische industrie stap dichterbij door verlengen ARC CBBC

Over ARC CBBC

Het ARC CBBC begon in 2016 als een samenwerking tussen drie universiteiten (RUG, Universiteit Utrecht en TU Eindhoven) en vier chemische bedrijven (AkzoNobel, Shell, BASF en Nouryon/Nobian). Het onderzoeksprogramma werd vastgesteld voor tien jaar. Inmiddels zijn nog eens vijf universiteiten toegetreden (TU Delft, WUR, Universiteit Twente, VU en UvA). Op dit moment werken ruim zeventig wetenschappers aan ARC CBBC projecten.

De missie van ARC CBBC is om te zorgen voor innovaties die leiden tot een klimaat neutrale chemische industrie in 2050, door onderzoek naar een circulaire economie (geen afval, recycling), schonere en efficiëntere chemische processen en het gebruik van biomassa als grondstof. Om die missie te volbrengen zijn de volgende thema’s geselecteerd:

1) Activatie van kleine moleculen: omzetting van methaan in koolstof materialen en koolstof bouwstenen;
2) Fundamentele principes van katalyse: ontwikkeling en analyse van schone en groene katalysatoren;
3) Coatings: het vervangen van fossiele grondstoffen voor biomaterialen, ontwikkeling van op water gebaseerde verf en chemische processen om materialen langer te doen meegaan;
4) Nieuwe chemie voor de toekomst: chemische recycling van plastic, CO2 conversie via elektrokatalyse, en elektrochemische en foto-redox omzettingen in chemische bouwstenen.

Aan de RUG werkten in september 2021 zeven voltijds hoogleraren, twee assistent hoogleraren, drie postdocs en negen promovendi samen aan projecten die de doelen van ARC CBBC dichterbij brengen. Er zijn nog vier vacatures, die in de loop van het jaar vervuld gaan worden. Een recent voorbeeld van een typisch onderzoeksproject is het maken van een ‘natuurlijke coating’: organisch chemici van de RUG en AkzoNobel, een grote speler op de wereldmarkt van verf en coatings, ontwikkelden een proces waarmee ze biomassa konden omzetten in een hoge kwaliteit coating met gebruik van alleen zuurstof en licht.