Eindelijk mag Erik Garnett erover praten. Afgelopen zomer belde KNCV-voorzitter Yvonne van der Meer hem met het nieuws dat hij de KNCV Gouden Medaille 2022 krijgt uitgereikt voor zijn baanbrekende onderzoek op het snijvlak van nanomaterialen, fotochemie, materiaalchemie en nanofotonica. Daarnaast ziet de jury in Garnett, groepsleider bij AMOLF en hoogleraar nanoscale photovoltaics aan de Universiteit van Amsterdam, een inspirerende mentor en een actieve communicator met grote internationale zichtbaarheid. Een geweldige ambassadeur voor de Nederlandse chemie, aldus de jury. Maar omdat de bekendmaking dit jaar was gepland tijdens CHAINS in september, moest het nog geheim blijven. ‘Dat is echt heel moeilijk hoor, als je zulk fantastisch nieuws krijgt en je mag het aan niemand vertellen.’

Het is nogal een standaardvraag om mee te beginnen, maar wat is de essentie van jouw onderzoek?

‘Het bestaat uit twee hoofdlijnen en in beide staat licht centraal. De ene lijn betreft photovoltaics; we proberen zonnecellen efficiënter en stabieler te maken. In de andere lijn richten we ons op het gebruik van licht om chemische reacties te sturen. Dat kunnen moleculaire reacties zijn, maar ook vastestofreacties.’

‘Met licht kun je bepalen wat wanneer en waar plaatsvindt’

Vanwaar die centrale rol van licht in je werk?

‘Je weet dat energie nodig is om chemische reacties aan te jagen en tot dusver is verhitten de manier om energie toe te voegen aan een systeem, maar dat is niet heel gericht. Alles wordt gewoon warm. Het is heel moeilijk om gericht te verhitten, zowel in de ruimte als in de tijd. Dus heb je veel minder controle over waar precies de energie wordt ‘toegediend’. Licht geeft je echter heel veel controle over de toegevoegde energie. Je kunt specifieke golflengtes gebruiken die alleen de gewenste chemische bindingen, moleculen of reacties beïnvloeden. Licht geeft je de mogelijkheid om te bepalen wat wanneer en waar gebeurt.’

Stel dit gaat allemaal werken, wat kunnen we dan doen dat nu nog niet kan?

‘We weten al dat we het eindproduct kunnen variëren door de golflengte van het invallende licht iets te veranderen. Een iets andere ‘kleur’ resulteert al in een heel ander product. Het systeem kan een andere route kiezen, afhankelijk van het licht dat je gebruikt. Dat opent de mogelijkheid om een reactor te ontwerpen waar verschillende reacties en processen kunnen plaatsvinden en waarbij je door het toedienen van lichtpulsen met verschillende frequenties bepaalt welk product wordt gemaakt. Je hoeft dan niet de hele opstelling te veranderen en allemaal nieuwe ingrediënten toe te voegen. Alles is aanwezig en je varieert alleen het licht.’

‘Mijn langetermijn droom is dat we met behulp van variërend licht een molecuul door een hele serie van transformaties kunnen loodsen. Net zoals dat in biologische systemen gebeurt. Daar zie je ook dat een molecuul door een hele reeks van eiwitten, met name chaperones, wordt begeleid bij allerlei verschillende omzettingen. Afhankelijk van het enzym wordt de ene of de andere pathway geselecteerd. Dat is echt een fascinerend concept. Als we dat kunnen nabootsen dan betekent het een compleet nieuwe manier om de gewenste moleculen te maken.’

Je zei aan het begin dat je licht in plaats van warmte gebruikt om reacties aan te jagen, maar licht genereert ook warmte.

‘Ja, dat is de andere kant van het verhaal. Een van onze doelstellingen is om een systeem te verhitten zonder dat we iets moeten verbranden. Het is natuurlijk al lang mogelijk om een conventionele thermische reactor te laten lopen op elektriciteit, maar licht als een alternatieve bron van warmte levert belangrijke voordelen. Zoals ik al eerder zei is het verhitten van een complete reactor nogal aspecifiek, maar als we licht gebruiken krijg je ‘precisie verhitting’. We kunnen dan precies bepalen waar en wanneer het systeem wordt verhit. Licht is heel snel en heel gericht en dat biedt de mogelijkheid om snel te wisselen tussen lokaal hoge en lage temperaturen. Denk bijvoorbeeld aan het opwarmen van een bepaald deel van een katalysator om reactiestap 1 te initiëren, vervolgens schakel je het licht weer uit en dan kan reactiestap 2 plaatsvinden. Met licht kun je gericht lokaal andere omstandigheden creëren die heel verschillend zijn van de bulk.’

‘We kunnen voorspellen waar het licht naartoe gaat, maar wat we niet kunnen voorspellen is welke chemische reacties dat oplevert’

‘Een ander voorbeeld is het gebruik van licht om de binding van moleculen aan een katalysator te controleren. Het kan moeilijk zijn om de juiste balans te vinden tussen voldoende sterke binding zodat de reactie kan plaatsvinden en tegelijkertijd niet zo sterk dat na de omzetting het product niet vrijkomt. Licht kan specifieke bindingen verbreken, dus dan kun je zorgen voor hoge affiniteit voor de katalysator om zo de omzettingsgraad te verhogen en daarna verbreek je met een gerichte lichtpuls precies de juiste bindingen, zodat je product weer loslaat.’

Om deze nieuwe toepassing van licht te realiseren gebruik je plasmons, maar ik vind dat nog steeds een behoorlijk ongrijpbaar fenomeen.

‘Het is helemaal niet zo moeilijk, plasmons zijn eenvoudig te begrijpen.’

Oh ja?

‘Ja, plasmons concentreren energie. Dat is wat ze doen. Vergelijk het met een antenne, daarom noemen we zo ook plasmonic antennes. Vanuit alle aanwezige frequenties pikt een antenne er precies de frequentie uit waarvoor die is afgesteld en concentreert de straling in een veel kleiner volume. Dat doen plasmons ook. Door gebruik te maken van specifieke materialen in een specifieke configuratie kun je een bepaalde golflengte selecteren die wordt opgevangen en geconcentreerd.’

Hoe maak je zo’n plasmonic antenne?

‘Het is colloïdchemie. We maken metaal-nanokristallen, in ons geval goud nanokubussen, die we op een goudspiegel plaatsen met daartussen een heel dun laagje aluminiumoxide. De grootte en de vorm van de nanokubus bepalen de resonantie en daarmee welke golflengte in het invallende wordt geconcentreerd.’

En dat bepaalt dan de chemische reacties?

’We hebben methyleenblauw, een uitvoerig beschreven modelverbinding, gebruikt als ligand en toen zagen we verschillende typen reacties optreden, afhankelijk van de resonantiefrequentie van de plasmonic antenne. Door de kleur van het licht slechts een beetje te veranderen, van helder- naar donkerrood, zagen we in plaats van demethylering, de standaard fotochemische reactie, opeens een selectieve lichtgedreven desorptie plaatsvinden die nog niet eerder was waargenomen. Dit concept vormt nu de basis van een ARC CBBC project waarin we plasmonic antennes gaan maken voor CO₂ reductie. Het plan is om onze plasmonic nanodeeltjes en licht te gebruiken om langere koolstofketens te maken vanuit CO2. Maar op dit moment hebben we nog geen idee welke frequentie daarvoor nodig is.’

Kun je werken vanuit een theoretische onderbouwing?

‘We kunnen voorspellen waar het licht naartoe gaat, maar we kunnen niet voorspellen welke chemische reacties dat oplevert. Er is simpelweg nog teveel dat we niet begrijpen, bijvoorbeeld als het gaat om de dynamiek in aangeslagen toestand. Maar dat is voor mij geen probleem. Ik wil juist graag daar zijn waar je spannende dingen ziet gebeuren die je niet begrijpt. Dat spannende geldt ook voor ons werk aan verhitting met licht. Supersnelle, lokale verhitting biedt allerlei interessante mogelijkheden. Je kunt bijvoorbeeld een enorme temperatuurgradiënt creëren; twee atomen in het hetzelfde molecuul kunnen wel 10K verschillen in temperatuur. Dat is een enorm verschil en misschien kun je daarmee verschillende reacties laten plaatsvinden in hetzelfde molecuul. Dat opent een wereld aan mogelijkheden en ik denk echt dat we nu een hint hebben om daar te komen.’

‘We moeten inzetten op zonne-energie. Het is overal en geen enkel land kan het claimen’

Waarom heb je voor dit onderwerp gekozen?

‘Ik ben altijd al geïnteresseerd geweest in zonne-energie, ook toen ik nog heel jong was. Ik las veel over zonnecellen en ik wist dat ik in dat veld wilde werken. Tijdens mijn middelbare schooltijd [in de VS, red.] werd in de VS een groot waterstofprogramma gelanceerd met grote investeringen in brandstofcellen en ik begon naar vacatures te kijken bij bedrijven die actief waren in die industrie. Overal werden chemici gevraagd en dus wist ik dat ik scheikunde moest studeren om later in de duurzame energietransitie te gaan werken. Mijn begeleider tijdens mijn promotie, Peidong Yang, werkte aan nanomaterialen en single nanowire devices voor energietoepassingen en zo kwam ik in de nanowetenschappen terecht. En daarna als postdoc op Stanford bij Mark Brongersma, die overigens zijn promotie hier bij AMOLF had gedaan, maakte ik kennis met plasmonics en dat zette me op het spoor om energie te concentreren met licht om zo chemische reacties te sturen.’

En waarom de overstap naar Nederland, naar AMOLF?

‘AMOLF had een vacature die heel goed aansloot bij mijn interesses en achtergrond, dus heb ik gesolliciteerd.’

Ik vraag het omdat we hier de neiging hebben om de VS te zien als dé plek voor wetenschap, met de beste universiteiten en de beste groepen.

‘Nou, in mijn werk komen materiaalwetenschap, chemie en natuurkunde samen en in al die drie gebieden is Nederland heel sterk dus dit is een goede plek voor mijn onderzoek. Wat betreft jouw punt over de VS, ja, daar heb je zeker absolute topuniversiteiten en -groepen, maar in z’n algemeenheid denk ik dat het leven daar veel moeilijker is dan hier. Honoreringspercentages zijn heel laag en de looptijd van financiering is veel korter. Te kort om een promotietraject met één beurs te dekken, zoals dat hier wel kan. In Nederland is alles goed georganiseerd en daarnaast is de onderwijslast relatief laag.’

[Garnett lijkt te aarzelen]

Maar…? Wat kan hier beter?

‘Wat ik heel leuk vind aan de VS is dat mensen gewoon iets gaan dóen. Je hebt een idee en dat ga je meteen proberen. Natuurlijk mislukt er ook veel, maar als het wel werkt, heb je meteen een voorsprong. Die mentaliteit zet alles veel sneller in beweging. Dat hele polderen van hier is geweldig, maar alles duurt daardoor ook heel erg lang. Men is hier meer risicomijdend, terwijl in de VS mensen meer op hun gemak zijn met risicovolle projecten. En als het niet werkt, betekent dat niet meteen dat je persoonlijk hebt gefaald. Je hebt iets van de grond gekregen, blijkbaar heb je ook anderen kunnen overtuigen, je hebt startkapitaal opgehaald, et cetera. Nu moet je het gewoon nog een keer proberen. Dat is echt een compleet andere houding dan hier in Nederland.’

‘Dat hele polderen is fantastisch, maar alles duurt daardoor ook heel erg lang’

‘Het zou goed zijn als we actiever worden in het opstarten van iets nieuws. Als je kijkt naar klimaatverandering of de chemische industrie, dan kun je niet eeuwig blijven praten. Wacht niet tot je iedereen aan boord hebt, want als je daarop wacht ben je te laat. De aarde is een heel complex systeem en er zijn kantelpunten. Als we die passeren, zullen sommige processen dusdanig versnellen dat we ze niet meer kunnen keren. Het probleem is dat de wereldeconomie drijft op groei, maar we moeten naar een steady-state; het punt waarop we geen nieuwe grondstoffen aan de aarde hoeven te onttrekken omdat we alles wat we eerder hebben geproduceerd steeds weer opnieuw kunnen gebruiken. Urban mining is dan de nieuwe manier waarop we onze uitgangsstoffen winnen.’

Hoe komen we op dat punt?

‘We moeten inzetten op zonne-energie. Het is overal en geen enkel land kan het claimen. Maar we moeten de efficiëntie van zonnecellen verdubbelen, dat is de uitdaging wat betreft energiewinning. De andere uitdaging is om alle materialen aan het einde van hun levenscyclus compleet te recyclen en opnieuw te gebruiken.’

Hoe past jouw onderzoek hierin?

‘We zijn nu bezig om het idee van zelflerende materialen verder uit te werken. We ontwikkelen zonnecellen die steeds beter worden in het opvangen van energie omdat ze gaandeweg ‘leren’ hoe ze hun interne structuur kunnen aanpassen om zo de efficiëntie te verhogen. Dit zijn zelf-optimaliserende zonnecellen, net zoals er bloemen zijn die naar de zon draaien om zoveel mogelijk zonlicht op te vangen.’

‘Ik erger me ontzettend aan mensen die zeggen dat ze hebben gezocht naar vrouwen, maar ze niet konden vinden’

Een heel ander onderwerp dat hoog op jouw lijst staat is diversiteit en inclusiviteit. Waarom is dat belangrijk voor jou?

‘Meerdere redenen. Een heeft te maken met sociale rechtvaardigheid. We weten dat er vele groepen in de samenleving niet of nauwelijks zijn vertegenwoordigd in de wetenschap en ik vind dat we ons best moeten doen om dat te veranderen en om echt gelijke kansen voor iedereen te creëren. Maar het heeft ook te maken met prestaties. Ik weet zeker dat we talent missen als we blijven kijken naar wat we al kennen. Meer diversiteit betekent simpelweg ook een grotere vijver om in te vissen. Daarnaast, als een groep bestaat uit mensen die allemaal in een vergelijkbare omgeving zijn opgegroeid, een vergelijkbare opleiding hebben gevolgd en een vergelijkbare achtergrond hebben, is de kans groot dat hun benaderingen ook heel vergelijkbaar zijn. Meer diversiteit zorgt voor meer verschillende invalshoeken en oplossingen.’

Maar hoe kunnen we diversiteit en inclusiviteit vergroten zonder dat het nog weer een administratieve taak wordt die je even moet afvinken?

‘Het overheersende idee in de wetenschap is nog steeds dat ‘we alleen op kwaliteit selecteren’, maar dat is onzin. Hoe definieer je kwaliteit? Bovendien zijn we allemaal geneigd te kiezen wat vertrouwd is. Het argument dat ‘we echt hebben gezocht maar we konden geen vrouwen of minderheidsgroepen vinden’ is gewoon absurd. Als je groep helemaal bestaat uit witte mannen, dan kan het heel goed zijn dat veel mensen liever niet solliciteren. Een meer diverse groep zal ook zorgen voor meer diversiteit bij je sollicitanten.’

Wat betekent dat in de praktijk? Wat doe jij om te zorgen voor diversiteit in je groep?

‘Een voorbeeld. Vorig jaar hebben we een symposium georganiseerd over strong coupling; het veranderen van de optische omgeving om daarmee ook de chemie te veranderen. Dat is een opkomend thema in het veld en we waren op zoek naar interessante sprekers, maar alle PI’s die we vonden waren mannen. Ik ben de toonaangevende papers over dit onderwerp gaan scannen en ik zag dat heel veel eerste auteurs, dat waren promovendi en postdocs, vrouwen waren. Toen hebben we het omgegooid en een sessie opgezet waarbij alle sprekers die vrouwen waren die het veld aanjagen. Op die manier creëer je je eigen vijver vol talent, je moet het gewoon actief aanpakken. Ik erger me enorm aan mensen die zeggen dat ze geen vrouwen konden vinden. Kom op zeg, wees creatief, we zijn niet voor niets wetenschappers.’