Waar kunnen we ons in 2023 allemaal op verheugen in het chemische onderzoek? C2W | Mens & Molecule peilde de verwachtingen onder enkele vakgenoten.
Theorie-gedreven experimenten
Matthias Bickelhaupt, hoogleraar theoretische en computationele chemie, VU Amsterdam: ‘Een overduidelijk onderwerp is voor mij het vergroten van de connectie tussen kwantummechanica en kunstmatige intelligentie, een gebied waar Trevor [Hamlin, red.] actief in is. We hebben het gevoel dat de echte kracht van AI nu totaal niet benut wordt, je kunt er veel meer mee doen dan nu gebeurt.’
Trevor Hamlin, universitair docent theoretische chemie, VU Amsterdam: ‘Wat we veel meer gaan zien is dat theorie de experimenten zal leiden. Het tijdperk van trial-en-error zou tot een einde moeten komen. Berekeningen worden nauwkeuriger, computers worden krachtiger. Zoals Matthias al zei, de huidige AI is niet intelligent. We zijn druk bezig om het potentieel eruit te halen. Dat wil trouwens niet zeggen dat er geen plek meer zal zijn voor experimentatoren, die blijven we nodig hebben. De cloud-based labs en automatiseringen worden erg gehypet, maar alles kan in zo’n lab misgaan, dus op dit moment is er echt geen enkele mogelijkheid om alles te automatiseren.’
Thomas Hansen, universitair docent organische chemie, VU Amsterdam: ‘Een beetje los hiervan, maar ook een beetje deel hiervan is katalyse. Dat gaat groter en groter worden, katalyse kan de groene chemie leveren die we willen. In 2021 won de organokatalyse de Nobelprijs, wat een deel van het potentieel laat zien. We staan echt op het punt om katalyse helemaal te begrijpen, en katalyse combineren met – wat Trevor en Matthias al zeiden – theorie-gedreven experimenten gaat groot worden.’
Zuiveren van metaalertsen
Koen Binnemans, gewoon hoogleraar metallurgische chemie, KU Leuven: ‘In mijn vakgebied, de hydrometallurgie, is het moeilijk om één of twee technieken aan te wijzen die echt ‘groot’ gaan worden. Wel zijn er verschillende ontwikkelingen en uitdagingen die de komende tijd zullen spelen. Lithiumionbatterijen zullen we de komende tijd blijven nodig hebben, maar het zuiveren van lithium uit mengsels is een technisch probleem dat we moeten gaan aanpakken. Ook zijn ertsen van andere metalen steeds minder rijk en worden ze complexer. Dat maakt al die zuiveringsprocessen veel uitdagender. Bij hogetemperatuurmetallurgie of pyrometallurgie, bijvoorbeeld bij winning van ijzer en staal, gebruik je nu nog cokes om metaaloxides te reduceren, waarbij veel CO2 vrijkomt. De metallurgie volgt nu ook de trend die je in de chemie zien, namelijk het overstappen van koolstof naar waterstof.
Een andere trend die zeer belangrijk gaat zijn is de ontwikkeling en het gebruik van nieuwe thermodynamische modellen voor bijvoorbeeld het oplossingsgedrag van zouten. Door goede voorspellingen te doen en veel scenario’s te bekijken, kun je veel gerichter experimenten doen. Op grote schaal testen wordt zo goedkoper, efficiënter en leidt sneller tot resultaten. Maar industriële problemen zijn nu nog veel complexer dan modelsystemen, dus daar is nog veel ontwikkeling mogelijk.’
Nanozymen: eenvoudig en goedkoop
Dennis Hetterscheid, universitair docent elektrochemie/homogene katalyse, Universiteit Leiden: ‘Hoewel ik niet werkzaam ben in het veld van nanozymen, volg ik het met veel interesse. Nanozymen zijn een vorm van heterogene katalysatoren, dus nanodeeltjes waarvan de functie gebaseerd is op enzymen, en hebben het grote voordeel dat ze stabieler zijn dan echte enzymen.
Op dit moment is het best een hype, hoewel ik af en toe worstel met de terminologie; je zou een enzym namelijk ook een nanodeeltje kunnen noemen, dus wat bedoel je er precies mee? Het veld had scherper gedefinieerd kunnen worden. Desalniettemin is de chemie wel super interessant. Het gaat dus om het nabootsen van enzymreactiviteit. Dat zijn vaak reacties die we lang niet toe konden passen, maar wat nu wel lijkt te lukken. De mogelijkheden lijken eindeloos wat toepassingen betreft. Ze zijn relatief eenvoudig en goedkoop, vergeleken met enzymen of complexe katalytische systemen. IUPAC heeft zeker gelijk dat ze nanozymen een plekje geven in hun top tien van opkomende technologieën. Ik denk wel dat veel onderzoekers hier al mee bezig waren, maar dat er nu een modieuze term voor is bedacht.’
Van 2D naar 3D
Timothy Noël, hoogleraar flowchemie, Universiteit van Amsterdam: ‘Mijn groep werkt al tien jaar in de flow- en fotochemie en wat nu vooral in het veld speelt is het maken van nieuwe moleculen, evenals het opschalen daarvan. Op kleine schaal kun je nu bijvoorbeeld moleculen maken die eerst veel moeilijker bereikbaar waren. Dat lost de meest voorkomende bottleneck van de farmaceutische industrie op; kunnen we het maken? Waar je bij cross-koppelingreacties eerst vooral keek naar vlakke, sp2-gehybridiseerde moleculen (2D), gaat die trend steeds meer in de richting van crosskoppelingen die wat ruimtelijker zijn, met sp3-gehybridiseerde moleculen (3D). En daarvoor kwam fotoflowchemie precies op tijd om een bijdrage te leveren. Zodoende creëer je een nieuwe “chemical space”, die met fotokatalyse ook relatief makkelijk op te schalen is naar farmaceutische schaal, zeg vijftig kilogram per dag.
Er zijn denk ik drie hoofdzaken waar de fotoflowchemie aan gaat bijdragen: er komen nieuwe, krachtiger medicijnen, omdat de syntheses beter toegankelijk zijn. Ten tweede laat de fotokatalyse toe dat lange synthesewegen te omzeilen zijn; echt complexe syntheses kun je soms in één of twee stappen doen met fotokatalyse. Dat sluit aan op punt drie: de chemie wordt er veel duurzamer door. Minder stappen betekent minder reagentia. Ook gebeuren de meeste reacties op kamertemperatuur en zijn het milde reactiecondities. Een bijkomend voordeel is: als er wat dreigt mis te gaan in een fabriek, kun je de reacties heel gemakkelijk stoppen door simpelweg het licht uit te zetten.’
Natrium-ion-batterijen
An Hardy, gewoon hoogleraar materiaalchemie, Universiteit Hasselt, en Dries De Sloovere, R&D projectleider bij imec werken binnen de groep Design and synthesis of inorganic materials (UHasselt) aan natrium-ion-batterijen. Dit zijn herlaadbare batterijen die veel op lithium-ion-batterijen lijken. Een natriumbatterij heeft een iets lagere energiedichtheid dan een lithiumbatterij, maar natrium heeft wel de potentie om 30% goedkoper te zijn dan dezelfde energieopslag in een Li-ion-batterij. Vanwege het gewicht zal de natriumbatterij wellicht geschikt zijn voor stationaire energieopslag. Het werkingsprincipe van beide typen batterijen is exact hetzelfde, maar er zijn een aantal fundamentele verschillen. Natrium is groter en zwaarder, dus er zijn andere materialen nodig om de natriumionen tussen de elektroden te laten bewegen. Hardy en De Sloovere richten zich voornamelijk op de ontwikkeling van nieuwe materialen voor deze batterijen. De Sloovere: ‘Niet volume en gewicht, maar stabiliteit en veiligheid zijn het meest cruciaal. De belangrijkste ontwikkeling is nu vastestofelektrolyten. Die geven een veiligheidsvoordeel, want vloeibare elektrolyten zijn zeer brandbaar.’ Hardy vult aan: ‘Elektrolyt ontwikkelen is bij natrium net iets moeilijker, maar de aanpak is om grotendeels te kijken wat er bij lithium goed ging en dat finetunen.’
Nog geen opmerkingen