Die 2,5 miljoen euro is de smeerolie voor mijn onderzoeksgroep, stelt Henny Zandbergen, hoogleraar elektronenmicroscopie aan het Kavli Institute of Nanoscience van de TU Delft. Hij vindt het ook een leuke opsteker voor zijn faculteit.

„Het geeft mij speelmogelijkheden. Mijn vrouw zegt wel eens gekscherend: „Je lijkt net een klein kind.” Met dit geld kan ik gemakkelijk allerlei nieuwe dingen uitproberen. Dat lukt niet als ik dat binnen de bestaande projecten moet regelen. Daar krijg ik te weinig geld voor. De bezuinigingen eisen ook hier hun tol.”

Zandbergen relativeert evenwel de hoogte van het bedrag. „Ik kan er nog geen elektronenmicroscoop van kopen.” Toch waardeert hij de prijs voor zijn onderzoek in hoge mate. „De ideeën voor nieuw onderzoek had ik anders in allerlei onderzoeksvoorstellen moeten gieten, waar ik vervolgens mee had moeten aankloppen bij een subsidieverstrekker als NWO.”

De Europese Unie kent de ERC Advanced Grant alleen toe aan uitzonderlijke wetenschappers. En daartoe behoort Zandbergen volgens de beoordelingscommissie.

Waarom hebt u de prijs ontvangen en bijvoorbeeld uw collega uit Frankrijk niet?

„Wij zijn de beste in dit wetenschapsgebiedje. Dat klinkt arrogant, maar wij zijn als enige in staat om uiterst kleine structuren, zoals halfgeleidende nanodraadjes, tot op atomair niveau zichtbaar te maken en daar tegelijk fysische metingen aan te doen.

Iedere onderzoeksinstelling kan voor 5 miljoen euro een goede elektronenmicroscoop aanschaffen. Wij hebben echter op basis van jarenlange ervaring onze microscopen aangepast. Zulke geavanceerde apparatuur is nergens te koop.

Bovendien heeft onze afdeling veel kennis van het meten van heel kleine elektrische stroompjes. Bij elkaar levert dat een unieke combinatie op die ons een voorsprong geeft op de andere onderzoeksinstellingen.”

Hoe ging de selectie in haar werk?

„We moesten een uitgebreid voorstel inleveren voor een onderzoek dat nieuw, uitdagend en risicovol was. Een leuk onderzoek dat te weinig risico’s meebracht, was niet interessant genoeg voor de beoordelingscommissie.

Daarnaast keek de commissie hoe vaak ik heb gepubliceerd in toonaangevende wetenschappelijke tijdschriften en hoe vaak mijn vakgenoten mij daaruit hebben geciteerd. Die score levert een plaatsje op de zogenaamde Hirschindex. Hoe hoger je op die lijst staat, hoe beter.”

Wat levert uw onderzoek uiteindelijk op voor de maatschappij?

„We kunnen bijvoorbeeld minuscule structuren bouwen van halfgeleiders die gebruikt worden in nanochips. Daarmee leveren we een bijdrage aan de miniaturisering van de computertechnologie.

Daarnaast kun je denken aan onderzoek aan titaanoxide. Dat is een stof die verf wit kleurt, maar die ook in zonnebrandcrème voorkomt. Het beschermt de huid tegen ultraviolette straling van de zon. Die deeltjes in crème moeten veel kleiner zijn dan in verf: niemand wil als een witte koe op het strand liggen. De titaanoxidedeeltjes zijn dan enkele nanometers groot – een rij van 200.000 van deze deeltjes passen in een millimeter.

Ook kunnen titaanoxidedeeltjes van deze grootte in zonnecellen zitten en voor het schoonhouden van ruiten worden gebruikt.

Al in de veertiende eeuw waren de mensen bezig met de grootte van deeltjes, alhoewel dat toen nog geen nanotechnologie heette. Zo werd de kleur van gebrandschilderd glas bepaald door de grootte van de gouddeeltjes die de glasblazer aan het glas toevoegde. Dat was een kwestie van uitproberen.

Met onze kennis en techniek kunnen we de eigenschappen van stoffen wel sturen en controleren. Zo is staalfabrikant Corus nu bezig met het ontwikkelen van ultrasterk staal. Auto’s kunnen straks van plaatwerk worden gemaakt dat lichter is dan aluminium.”

Heeft nanotechnologie alleen positieve gevolgen?

Zandbergen glimlacht en denkt even na. „Je kunt bijna elke wetenschappelijke ontwikkeling misbruiken, ook nanotechnologie. Ik vergelijk het wel eens met biotechnologie. Het aanpassen van DNA kan leiden tot betere tarwe, maar ook tot dingen die je als samenleving niet wilt. Daarom hebben we er in Nederland voor gekozen om alle argumenten voor en tegen nanotechnologie vast te leggen, zodat we van tevoren kunnen afspreken wat we wel en niet willen als maatschappij.

Nu is bijvoorbeeld nog erg weinig bekend over de gevolgen van blootstelling aan combinaties van stoffen. Dat bleek al bij asbestslachtoffers. De rokers onder hen hadden veel meer kans om te overlijden. Het kan dus zijn dat een asbestvezel een gaatje prikte in een longcel, waarna giftig teer en andere stoffen uiteindelijk tot longkanker hebben geleid.

Koolstofnanobuisjes vertonen overeenkomsten met asbestvezels, maar lijken vooralsnog minder schadelijk. Ook omdat ze veel kleiner zijn. Onderzoek naar het gevaar van koolstofnanobuisjes staat nog in de kinderschoenen.

Zo hebben onderzoekers deze stof in de ogen van een konijn gespoten. Die werden alleen een beetje rood. Dit onderzoek zegt niet zo veel, omdat juist de combinatie van verschillende stoffen tot een schadelijk effect kan leiden. Het uitvoeren van onderzoek met alle combinaties van deeltjes is echter onmogelijk. Er is nog een lange weg te gaan voordat we duidelijkheid hebben over de gezondheidseffecten van deze stoffen.”

Microscopisch

Een elektronenmicroscoop kan veel kleinere structuren zichtbaar maken dan een optische microscoop, legt prof. Zandbergen uit. „Een gewone microscoop gebruikt zichtbaar licht. Dat is voor het kijken naar minuscule deeltjes zoals atomen niet toereikend. De golflengte van zichtbaar licht is zo’n 300 nanometer (nm), terwijl die van elektronen met 0,02 nm heel veel kleiner is.”

De elektronen samen kunnen volgens de hoogleraar het atoom –dat ongeveer 0,2 nm groot is– zichtbaar maken. De elektronen worden daarvoor met een spanning van 300 kilovolt versneld, waarna hun signaal gebundeld wordt door magnetische lenzen. Vervolgens maakt de computer het atoom zichtbaar.

Hij laat enkele videobeelden zien die met de manshoge glimmende buis zijn gemaakt. „Je kijkt hier tegen een gouddraad aan. Vervolgens zie je wat de goudatomen doen terwijl de draad breekt.”

De hoogleraar werkt nu aan in-situ-elektroscopie. „We maken bijvoorbeeld een verandering in de structuur van de stof, terwijl we gelijktijdig metingen uitvoeren aan het materiaal. Daarnaast zijn we in staat om met deze techniek de weerstand van elektrische stroom te meten door een enkel molecuul. Kleiner dan dat kan niet.”

Nanoniveau

Nanotechnologie maakt het mogelijk om te werken op het allerkleinste niveau, van moleculen en atomen. De naam is afgeleid van het Griekse woord ”nanos”, dat dwerg betekent.

Een nanometer is heel klein: 1 nanometer is een miljardste meter, evenveel als onze vingernagels groeien in tien seconden. Dat is met het blote oog niet te zien. Daarvoor gebruiken onderzoekers elektronenmicroscopen.

De groep van prof. Zandbergen onderzoekt de eigenschappen van vier typen stoffen. In de eerste plaats grafeen, dat bestaat uit dunne lagen koolstofatomen. Het wordt gebruikt voor bijvoorbeeld onderzoek aan DNA.

Ten tweede onderzoeken ze halfgeleidende nanodraadjes, waarin ze gaatjes maken om te kijken wat het effect ervan is op de elektrische stroom die er doorheen loopt.

Het derde onderzoeksgebied betreft individuele moleculen (bijvoorbeeld benzeenringen) waarvan de elektrische weerstand wordt gemeten.

Ten slotte worden metingen verricht aan kristallen van oxides, zoals magnetisch ijzeroxide, die de wetenschappers laagje voor laagje opbouwen, „zonder ook maar een roosterfout”, aldus Zandbergen.

„Met onze in-situ-elektronenmicroscopietechniek kunnen we daarnaast verouderingen van materiaal op atoomniveau zichtbaar maken. Neem bijvoorbeeld een katalysator van een auto. Die werkt door veroudering op den duur niet zo goed meer. Als je dat proces op atoomniveau zichtbaar kunt maken, begrijp je het ook beter.”