Prof.dr. Anton Darhuber

Prof.dr. Anton Darhuber, sinds een jaar hoogleraar ‘Mesoscopic Transport Phenomena’, wil met zijn Vici-subsidie gaan onderzoeken hoe je vloeistoffen in microscopisch kleine hoeveelheden in beweging kunt krijgen. Je kunt moeilijk een pomp gebruiken om volumes veel kleiner dan een druppel te verplaatsen. Maar hoe dan wel? “Daar heb ik heel veel ideeën over. Alles kan wat mij betreft”, lacht de 36-jarige prof. Maar veel details wil hij nog niet kwijt. “That’s classified”, luidt het antwoord op veel vragen. Het zou de kans om octrooien binnen te halen kunnen schaden.
Het gaat potentieel dan ook om enorme belangen in het werk van Darhuber. Een van zijn deelprojecten betreft oliewinning - energiegigant Shell werkt hierin mee. Olie zit diep in de bodem vast in poreus rotsgesteente. Boor je het aan, dan spuit een kleine tien procent er vanzelf uit, de rest moet je eruit ‘drukken’ met waterdruk. En dan nog blijft vijftig tot zeventig procent in de bodem zitten, in de piepkleine poriën in het gesteente. De Oostenrijkse onderzoeker wil bekijken of hij met nieuwe technieken, die werken op nanoschaal, niet meer olie uit de grond kan krijgen. Hoe precies, kan hij niet zeggen. “That’s classified.”
Een ander deelproject gaat over het maken van oleds - leds van polymeren. Die kunnen in principe in hele dunne vlakken gemaakt worden. Dat is commercieel zeer interessant, want oleds gebruiken veel minder energie dan gloeilampen, en je kan de dunne lichtvlakken om bijna elk voorwerp heen ‘vormen’. Maar er is nog geen productietechniek om oleds in grote vlakken te maken, in een continu proces. Darhuber wil een goedkope technologie ontwikkelen om oleds te produceren zoals je kranten drukt: door de benodigde ingrediënten op een lang vel te spuiten, dat van rol naar rol gaat. De grote dwarsligger hierbij is het slechts honderd nanometer dunne vloeibare laagje polymeer. Het oplosmiddel erin verdampt sneller bij de randen dan in het midden, met allerlei negatieve gevolgen. Welke precies, en hoe hij dit wil aanpakken: classified.
De twee projecten hebben gemeen dat het gaat om vloeistoffen met micro- of nanodimensies. En op die schaal spelen heel andere krachten de hoofdrol. De oppervlaktespanning is dan bijvoorbeeld veel meer bepalend dan de zwaartekracht. Dit doordat er relatief veel meer oppervlak is dan volume. In een derde project wil Darhuber bekijken wat voor mechanismes er in het algemeen zijn om op nanoschaal vloeistoffen in beweging te krijgen. Bijvoorbeeld door temperatuur- of concentratieverschillen. Een voorbeeld van dat laatste: bij een verschillende concentratie aan zeep in water, ontstaat een verschil in oppervlaktespanning, waardoor het water in beweging kan komen.
In januari 2007 maakte Darhuber de overstap van Princeton University naar Eindhoven. Toen wist hij nog niet eens van het bestaan van de Vici-subsidies. Nu is hij al een van de dertig ‘winnaars’ van de prestigieuze subsidie. Niet gek, vindt hij ook zelf. “Het geeft je voor een aantal jaren financiële onafhankelijkheid. Ik kan er grote apparatuur mee kopen zonder te hoeven sparen, en ik kan er meerdere promovendi mee aantrekken. Het geeft me de perfecte startcondities.”/.

Dr. Albert Schenning

Dr. Albert Schenning (41) staat met enige regelmaat in dit blad: elke keer wanneer hij weer een prestigieuze subsidie of prijs heeft binnengehaald. Na de Vidi-subsidie, de European Young Investigators Award en de Gouden Medaille van de KNCV (de beroepsvereniging voor chemici), is hem nu de Vici-subsidie ten deel gevallen. Waarmee hij weer een stap verder kan met zijn onderzoek naar zelfassemblage. Schenning bouwt moleculaire bouwblokjes die zichzelf ‘spontaan’ aaneen rijgen tot piepkleine elementen. Elektronische elementen bijvoorbeeld.
Het doel wat Schenning wil bereiken lijkt bescheiden: hij wil een nanoformaat diode maken, een basiselement uit de micro-elektronica. Die bestaat uit twee gekoppelde blokjes of staafjes van twee verschillende halfgeleidermaterialen. Maar het moet wel ‘vanzelf’ ontstaan. Hij gaat er niet met zijn vingers of met apparatuur aan zitten. Schenning maakt alleen de bouwblokjes; die moeten zich vervolgens door zelfassemblage zelf opbouwen tot een component.
“Als we dit goed kunnen, dan beheersen we de methodes. Dan kun je gaan uitbreiden. Maar je moet het eerst met twee componenten volledig beheersen.” En dat is nog een hele opgave, verwacht Schenning. Lachend: “Het zou mooi zijn als we dit kunnen wanneer ik 65 word.” Het meest tijdrovende is het maken van de juiste moleculaire bouwstenen. Die moeten zo in elkaar zitten dat ze maar op één manier ‘vastklikken’ aan andere bouwstenen. Vergelijk het met legosteentjes, maar dan veel kleiner en complexer.
De drijvende kracht om de blokjes aaneen te rijgen is de manipulatie van de concentratie en van de temperatuur. Bij een bepaalde snelheid van opwarming of afkoeling ontstaan bepaalde structuren. Zoals het bijvoorbeeld ook gaat bij de afkoeling van magma naar gesteente. Bij snelle afkoeling wordt het gesteente ‘glasvormig’, bij langzame afkoeling ontstaan mooie, zuivere kristalstructuren. Het is zeer lastig om dit proces goed te beheersen. Een voorbeeld: als bouwblokjes eenmaal beginnen te stapelen, dan houden ze niet snel meer op. Dan is het dus heel moeilijk om een stapel van precies tien blokken van type A en daarop tien van type B te maken - iets wat Schenning wel graag onder de knie wil krijgen.
Voor het aan elkaar vastklikken van de bouwstenen gebruikt de 41-jarige onderzoeker zogeheten non-covalente bindingen. Chemici gebruikten tot nu toe vooral de zeer sterke ‘covalente’ bindingen om nieuwe moleculen te maken, bindingen waarin atomen een elektronenpaar delen. Maar om grotere structuren te bouwen moet je de zwakkere non-covalente bindingen gebruiken, weet Schenning. “Zo doet de natuur het ook. Het zijn zwakkere bindingen, dus het gaat makkelijker. Maar het gaat ook makkelijker fout.”
De onderzoeker van de faculteit Scheikundige Technologie maakt op wel meer manieren gebruik van de natuur. Zo wil hij virussen gaan gebruiken als basis om organische halfgeleiders op te monteren. Die bieden namelijk een uitstekende ‘ondergrond’. En hij is er al in geslaagd om een slingerend, atomair stroomdraadje te maken in een DNA-streng. Daar zou je in principe een magnetisch veldje mee kunnen opwekken. Wat je daarmee kan? “Dat zou ik absoluut niet weten”, zegt Schenning. “Ik ben vooral geïnteresseerd in de vraag: kunnen we dit maken?”
Overigens is het opwekken van een magnetisch veld nog niet gelukt. Daarvoor zou je het draadje eerst moeten aansluiten, wat natuurlijk vrijwel onmogelijk is bij componenten van nano-afmetingen. Dat is nog een ander te kraken probleem, het manipuleren en fixeren van de minuscule componenten. Schenning: “Zelfassemblage staat echt nog in de kinderschoenen.” Complexe micro-elektronica die zichzelf in elkaar, zit er voorlopig dus nog niet in./.

Dr.ir. Jom Luiten

De Heilige Graal van de chemie. Die wil dr.ir. Jom Luiten (46) gaan maken met zijn Vici-subsidie. Een elektronenmicroscoop waarmee je niet alleen foto’s, maar ook filmpjes kan maken van de moleculaire wereld. Zodat je eindelijk kan zien hoe processen in die wereld verlopen. Bijvoorbeeld hoe een eiwit zich opvouwt - een proces dat slechts nanoseconden vergt, maar dat wel heel wezenlijk is voor het functioneren van levende wezens.
Luiten stond vlak voor de kerst ook al in dit blad, in een artikel over ‘de vierde dimensie in elektronenmicroscopie’. Dat ging echter over een ander onderzoeksproject. Weliswaar met ongeveer hetzelfde doel, maar met een andere techniek. “Dit is flink wat ambitieuzer”, vertelt de onderzoeker over zijn Vici-project, met een grote glimlach. In de andere onderzoekslijn wil hij beelden maken door heel snel losse elektronen af te vuren op het te bestuderen object. Één voor één, omdat de negatief geladen elektronen elkaar afstoten en hun baan, als je ze samen zou afvuren, onvoorspelbaar wordt. Dus weet je ook niet meer wat je ziet, wanneer je de teruggekaatste elektronen opvangt.
Toch wil hij precies dat gaan doen: tegelijk een miljoen elektronen afvuren, zodat je echt ineens een plaatje maakt. Daarvoor moet wel de baan van de elektronen getemd worden omdat ze niet alle kanten mogen opvliegen. En dat is heel lastig, omdat dit normaal een onvoorspelbaar proces is. De oplossing van Luiten: stabiliseer de beginpositie van de elektronen. Dan weet je precies welke baan ze gaan volgen ten gevolge van de afstoting. En weet je exact hoe je moet corrigeren middels elektromagnetische velden. Die stabilisatie wil hij bereiken door de elektronen te ‘winnen’ uit een ultrakoud plasma, met een temperatuur slechts enkele milli-Kelvins boven het absolute nulpunt, waarin de elektronen vrijwel stil staan. De moeilijkheid zit ‘m vooral in het koud houden van de elektronen, ook wanneer ze worden weggeschoten.

Het gebruik van dit plasma als elektronenbron is ook nieuw, en bovendien noodzakelijk. Het is namelijk onmogelijk om uit de gangbare bronnen in elektronenmicroscopen - piepkleine metalen emissietipjes - een miljoen elektronen ‘los te slaan’ in honderd femtoseconden (1 femtoseconde is 1x10_-15 seconde). Dit korte tijdsbestek is nodig omdat de opnames van de beeldjes heel snel moeten gaan om de moleculaire processen te kunnen vastleggen.
De microscoop die Luiten voor ogen heeft, zal geen lens hebben die het beeld scherp stelt. Dit omdat lenzen te hoge eisen stellen aan de kwaliteit van de ‘lichtbundel’. Zijn microscoop zal doen aan ‘diffraction imaging’. Daarbij komen de weerkaatste elektronen direct op een lichtgevoelige plaat, zonder tussenkomst van een lens. Normaal gaat bij deze techniek een deel van de informatie verloren: je ziet niet meer wat de fase is van de golfbeweging van de elektronen. Luiten gaat een nieuwe techniek toepassen om dit te omzeilen; een soort overbelichting. Door de ‘overdosis’ aan elektronen is, met ingewikkelde algoritmes, terug te rekenen hoe het sample in de microscoop-opstelling eruit ziet.
Drie stappen heeft hij voor ogen. Als eerste het bekijken van eenvoudige moleculen die vast zitten in een kristalrooster. Stap twee is het ‘filmen’ van complexe moleculen in een rooster, zoals eiwitten. En de ultieme stap is het filmen van individuele, losse complexe moleculen. Luiten: “Maar dat is heel speculatief. Om dit te bereiken is een nieuw stukje natuurkunde nodig.”./.

Volgende week in Cursor meer over de twee recente Veni-toekenningen.