Groot
in nano

Leestijd: 13 minuten (1959 woorden)

Hij zou afgepeigerd moeten zijn. Hij reisde van een conferentie in Israël naar de uitreiking van de Solvayprijs in Brussel en vandaar naar een vergadering in Eindhoven. En dan weer terug naar het lab in Groningen. Tijd voor een pitstop thuis is er niet.

Maar als hij – twee uur later dan gepland – aanschuift voor een gesprek over de zoveelste prestigieuze prijs die hij vorige week ontving uit handen van koningin Mathilde van België, oogt hij nog altijd fris en vooral enthousiast.

Ben Feringa. De chemicus uit Barger-Compascuum die de wereld van de organische chemie in 1999 op zijn kop zette met de bouw van de eerste moleculaire motor. De man die in 2011 de eerste moleculaire ‘four wheel drive’ maakte. De man die publicaties in Nature en Science uit zijn mouw lijkt te schudden en van wie sommigen denken dat hij wel eens een Nobelprijs zou kunnen winnen. Díe Ben Feringa.

Jongetje met legodoos

Hij heeft lachrimpeltjes bij zijn ogen. Als hij begint te praten over zijn vak, glanzen zijn ogen bijna ondeugend. Hij mag dan 64 jaar zijn en ontzettend veel bereikt hebben, voor hem is de wereld nog altijd één grote legodoos en hij het jongetje dat ermee mag spelen.

Hij kijkt naar de natuur, bestudeert hoe die werkt en gaat vervolgens knutselen met de chemische bouwstenen om tot dan toe niet-bestaande moleculen met nieuwe – en natuurlijk slimme – eigenschappen te maken. Nog slimmer en handiger dan wat Moeder Natuur in al die miljoenen jaren van evolutie heeft gemaakt. ‘Toen de evolutie begon, had de natuur de bouwstenen voor onbeperkte mogelijkheden’, zegt hij. ‘Maar toen de aminozuren de basis werden voor eiwitten, had ze wel een koers uitgezet. Die beperking hebben wij niet.’

De fascinatie begon toen hij ooit – als student nog – zijn eerste eigen molecuul maakte. Het was weliswaar een molecuultje van niks, maar het besef dat het er eerst niet was en daarna wel, en dat hij daarvoor verantwoordelijk was, maakte een drive in hem wakker die nooit meer is verdwenen.

Hij is er bovendien van overtuigd dat de synthetische chemie – zijn vak – op de drempel staat van fantastische ontwikkelingen. ‘Chemici zijn bezig nieuwe processen te ontwikkelen, die schoner zijn en duurzaam. Processen die de wereld niet alleen kunnen veranderen, maar die de wereld ook nodig heeft – want de natuurlijke grondstoffen raken op. We moeten iets.’ En Feringa wil onderdeel zijn van het antwoord.

Het lijkt er verdacht veel op dat hij daarin slaagt. Zeker sinds hij in 1989 min of meer per ongeluk stuitte op het principe van de moleculaire motor: een enkel molecuul dat roteert onder invloed van licht. ‘Op dat moment waren we bezig om de schakelprocessen in het menselijk oog na te bootsen’, vertelt hij. ‘Je ogen zitten vol schakelaartjes die je, onder invloed van licht, aan en uit zet. Dat principe van aan-en-uit, of nul-en-een, wilden we gebruiken om een soort moleculair geheugen te maken.’

En dat is uiteindelijk gelukt – al bleek het proces nauwelijks praktisch toepasbaar. Maar tijdens de experimenten stuitte Feringa op een molecuul dat onder invloed van licht niet de verwachte kwartslag maakte, maar doordraaide tot op de helft. ‘En als je een molecuul een halve slag kunt laten maken, waarom dan niet een hele?’ vroeg hij zich af. En dan heb je – op heel fundamenteel niveau – een motortje.

Revolutie

Het kostte hem tien volle jaren om het principe te vervolmaken. Het molecuul dat hem uiteindelijk beroemd maakte, maakte in een heel uur één enkele slag, aangedreven door licht. Weinig spectaculair, zou je denken. En toch was het een revolutie. ‘Nu wisten we dat het mogelijk was!’, zegt hij. ‘Toen de Wright Brothers in 1903 in een zeepkist hun eerste meters vlogen, stelde dat ook niet veel voor in vergelijking met de Boeings die tegenwoordig de wereld rondvliegen. Maar ze hadden bewezen dat het kon.’

Dat is ook wat Feringa had gedaan: hij had laten zien dat het mogelijk was om het principe van de motor toe te passen op een schaal van een miljoenste millimeter. ‘En dan kun je verder denken over nanorobotjes in je lichaam, zelfreinigende oppervlakken, of piepkleine onderzeeërtjes die medicijnen afleveren op precies de juiste plek in je lichaam.’

De ontwikkelingen in de synthetische chemie volgen elkaar sindsdien snel op en de groep van Feringa staat vooraan. Maakte die eerste nanomotor in 1999 slechts één slag per uur, nu heeft Feringa er een die tien miljoen keer per seconde kan roteren. In 2011 zorgde hij opnieuw voor een revolutie door als eerste met een nano-auto te komen: een molecuul met vier draaiende onderdelen die samenwerken. ‘Daarmee lieten we zien dat we een roterende beweging konden omzetten in een lineaire’, zegt hij. ‘Zoals een auto dat doet.’

In 2014 volgde het nanowindmolenpark, waarbij hij roterende moleculen wist vast te zetten op een vaste ondergrond – een flinterdun goudlaagje. Doordat de molentjes samenwerken, wordt interactie met de macrowereld mogelijk. Ofwel: een waterdruppel kromp en zette weer uit onder invloed van Feringa’s windmolenpark. Dit principe kun je gebruiken om bijvoorbeeld slimme oppervlakken te maken: denk aan een laag die zichzelf repareert onder invloed van licht. De volgende stap is een nano-autootje zich gericht te laten voortbewegen over een ‘weggetje’.

Sneller

Maar soms moet Feringa ook toekijken hoe anderen sneller zijn dan hij. Vorige week nog maakte een groep Amerikaanse wetenschappers van Rice University bekend dat ze met Feringa’s motor een onderzeeërtje hadden gebouwd dat zich kon voortbewegen in een vloeistof – iets waarvan hij zelf ook droomde. ‘We hebben er twee jaar aan gewerkt, maar het lukte simpelweg niet. We hadden de meettechniek niet goed voor elkaar, bleek achteraf. Uiteindelijk zijn we maar gestopt.’

Hij ontwikkelde wel een ander soort onderzeeër: een nanobuisje dat suiker gebruikte als brandstof en als een soort spinnetje voortkroop. Maar toch… dat Amerikaanse onder­zeeërtje had hij stiekem graag zelf gemaakt, bekent hij.

Het is een onderdeel van het vak. Je moet soms een heel lange adem hebben om resultaten te bereiken en garantie op succes is er nooit. ‘Als je niet tegen frustraties kunt, moet je nooit onderzoeker worden.’

Nieuwe doos

Soms lukt het dus gewoon niet en soms ben je ook afhankelijk van stom toeval. Zo lukte het Feringa onlangs – na twintig jaar – om koolstof-koolstofverbindingen tot stand te brengen door organolithium­verbindingen met een nieuwe katalysator te gebruiken. ‘Lithium was zo reactief, het deed van alles, maar niet wat het moest, terwijl we ervan overtuigd waren dat het moest kunnen’, zegt hij. ‘We hebben het uiteindelijk weten te temmen toen een postdoc een keer een oplosmiddel gebruikte dat we normaal nooit gebruiken. Ineens lukte het wel en begrepen we ook snel waarom we het eerder niet voor elkaar kregen.’

Het was de opening voor een hausse aan nieuw onderzoek en mogelijkheden, of – om in Feringa’s termen te blijven – er ging een hele nieuwe legodoos open.

Nog dertig of veertig jaar, denkt hij, dan moet het mogelijk zijn om een nanorobotje in te spuiten dat vervolgens herstelwerkzaamheden kan uitvoeren in het lichaam. ‘Maar natuurlijk is de vraag: willen we dat ook? Is het niet gevaarlijk om de bouwstenen van de natuur te manipuleren?’

Feringa zelf is vol vertrouwen. ‘Weet je wat mensen zeiden toen de Wright Brothers die eerste meters vlogen? ‘Als God had gewild dat we vlogen, had hij ons wel vleugels gegeven.’ Daar hoor je nu ook niemand meer over.’ Waarom wel een kunstheup maken, maar geen nanopacemaker?

Niettemin is het een debat dat gevoerd moet worden over nano­technologie, net als het debat over genetica. ‘Ik ben me bewust van het feit dat je als wetenschapper een grote verantwoordelijkheid hebt en die boodschap geven we ook onze studenten mee.’

Dik in orde

Vandaar ook dat moleculen met gevaarlijke eigenschappen – denk aan stoffen die zwaar kankerverwekkend zijn – in zijn lab niet gemaakt mogen worden. Onderzoek voor militaire doeleinden of waar bepaalde regimes bij betrokken zijn, weigert hij. En dat is geen hypothetische situatie. Dergelijke aanbiedingen zijn er geweest.

Maar ook uitnodigingen van landen en universiteiten die minder discutabel waren, liet hij lopen. Waarom? Waarom niet Groningen inruilen voor Harvard of Cambridge, die hem zonder twijfel met open armen zouden verwelkomen?

Uiteindelijk was het simpel, zegt Feringa. Een van de aanbiedingen die hem echt in verleiding brachten, kwam op het moment dat zijn kinderen op de middelbare school zaten en het hier erg naar hun zin hadden. Zijn echtgenote werkt bij het UMCG. ‘Dan verhuis je niet zomaar.’

Bovendien heeft hij fijne collega’s en is het onderzoeksklimaat in Groningen – en de rest van Nederland – dik in orde, aldus Feringa.

Wel moet de Nederlandse regering blijven investeren in fundamenteel onderzoek. ‘Nederland kan echt vooroplopen, maar dat vergt een lange adem en investeringen. We moeten een open oog houden voor toepassingen, maar de basis van universitair onderzoek is oog voor de lange termijn en het opleiden van jonge mensen, zodat zij over tien of twintig jaar weer nieuwe dingen kunnen doen.’