De grootste gemene deler van Jillian Buriaks onderzoek is de oppervlaktechemie van haar systemen. Met verve vertelt de materiaalwetenschapper over wat haar daarin drijft, mét oog voor de maatschappij. ‘Het zijn mijn studenten die er richting aan geven.’

Eind vorig jaar weet C2W de Canadese materiaalchemicus Jillian Buriak tussen de bedrijven door te strikken tijdens Chains. De conferentie is die ochtend van start gegaan, de sfeer is gemoedelijk, en keynote-sprekers die al gearriveerd zijn, grijpen de kans aan om van gedachten te wisselen. Zo praat Buriak bij met de Engelse materiaalwetenschapper Clare Grey, die zoekt naar de ideale configuratie van de oplaadbare batterij. Ook voor de hoogleraar aan de University of Alberta vormen materialen voor schone energietoepassingen een belangrijke pilaar van haar onderzoek.

Materials for energy is echter niet het enige topic waaraan Buriak werkt. Op haar lijstje prijken ook nanomaterials synthesis, silicon surface chemistry en block copolymer self-assembly. Het lijkt een heel brede basis, maar voor de hoogleraar draait het in alle gevallen om dealing with surfaces. ‘Elke keer weer, of je nu werkt aan inkten gebaseerd op nanodeeltjes voor zonnecellen of zelfassemblage op halfgeleideroppervlaktes. Wat voor effect heeft het oppervlak op bijvoorbeeld de elektrochemische eigenschappen?’, licht de Canadese wetenschapper toe. ‘Zelfs het kleinste defect kan desastreuze gevolgen hebben.’

 

‘Nanoscience helpt je zaken te integreren’

Inzicht krijgen in dit soort mechanismes vraagt om een blik op nanoschaal. Buriak krijgt daarom ook wel het etiket ‘nanoscientist’ opgeplakt. Ze blijkt niet zo’n fan van die term te zijn. Wel wil ze direct iets kwijt over nanoscience: ‘Het is geen vakgebied. Het is eerder een manier van denken, een manier waarop je naar materie kijkt. De scheikunde, en de wetenschap in het algemeen, is gebouwd op citadellen uit de jaren vijftig en zestig. Je hebt scheikunde, biologie en natuurkunde, was toen de gedachte. Maar ik zie helemaal geen grenzen. Nanoscience is een remedie hiervoor. Het helpt je zaken te integreren.’

 

Hoe kijk je aan tegen de shift in energie die eraan zit te komen?

‘Tegen 2050 zijn we bezig actief om te schakelen naar een low carbon economy, of eigenlijk hoop ik dat we die transitie dan al hebben gemaakt. Canada staat bekend om zijn grote natuurlijke voorraden, vooral teerzanden, maar wat is daar nog van over in 2050? Ik kijk specifiek naar zonne-energie opslaan. Sommige mensen opteren voor een grid scale battery. Volgens mij kunnen we beter aansluiten bij de infrastructuur rondom brandstoffen waarop onze maatschappij nu is gebouwd. Je kunt energie opslaan in chemische bindingen, kortom door met zonne-energie H₂ af te splitsen uit water. Als je dat samenperst, heeft het minstens dezelfde energiedichtheid als koolwaterstoffen. Een andere optie is om CO₂ met die schone H₂ te combineren tot liquid fuels. Maar die aanpak is wat meer controversieel, omdat je daarbij weer CO₂ produceert.’

 

Er werken, zoals je zelf al opmerkte, veel mensen aan dit onderwerp. Is jouw aanpak anders?

‘Mensen vragen mij dit wel vaker en het antwoord is ja. Wij werken vanuit wat we noemen materials genomics. De grondleggers hiervan zijn Gerbrand Ceder van MIT en Kristin Persson van Berkeley Lab. Hun Materials Genomics Project biedt een open access-database met thermodynamische en elektrische eigenschappen van niet alleen bestaande anorganische materialen, maar ook van duizenden die nu nog enkel theoretisch zijn.’

 

Wat brengt deze tool je?

‘De kracht is enerzijds dat je veel meer opties kunt testen. In de praktijk heb je het periodiek systeem voor je liggen, maar kun je nooit alle opties testen, dat is te tijdrovend. Anderzijds komt deze tool met geheel nieuwe ideeën. Zo ontdekte een collega van mij een thermo-elektrisch materiaal waaraan niemand ooit had gedacht, omdat het niet de ‘standaard’-elementen gebruikte. We hebben het uitgeprobeerd in het lab en het werkte. Dat laat zien hoe krachtig deze techniek is.’

 

Jouw universiteit plant de oprichting van een Future Energy Systems Research Institute. In de communicatie hierover wordt je vaak naar voren geschoven als prominente wetenschapper. Hoe kijk je aan tegen dit initiatief?

‘De funding voor het instituut, een som van 75 miljoen Canadese dollar, komt van de federale overheid. Het moet ons gaan helpen om die omslag naar een low carbon economy te maken. Voor mij betekent dat een fundamentele shift in ons doen en laten. En zekere zin is de opzet van dit instituut dat ook. Niet alleen moet het samenwerking tussen academische groepen onderling en met de industrie bevorderen, maar bovenal ook met de mensheid. Daar­mee bedoel ik de toegepaste wetenschappen, maar het gaat verder dan dat.

 

Als echt die fundamentele shift willen maken, dan moeten we de natives er ook bij betrekken

Wij Canadezen hebben een slechte historie als het gaat om de behandeling van de oorspronkelijke bewoners van dit gebied. De decaan van de faculty of native studies gaat onderzoeken hoe je gemotiveerde middelbare scholieren uit de first nations communities actief bij dit proces kunt betrekken. Dat is een heel lang en langzaam proces, maar het hoort er voor mij wel bij. We gaan, wederom, hun land gebruiken. Zonne-energie mag dan schoon zijn, het gebruikt wel landoppervlak. Als we die fundamentele shift echt willen maken, dan moeten we hen erbij betrekken als gelijkwaardige partners. Ja, dat is a very big thing.’

 

Was het voor jou een logische zet om met jouw onderzoek op te schuiven richting photovoltaics?

‘Het was een natural jump vanuit ons werk aan halfgeleiders. We werken nog steeds aan die hoeksteen, omdat halfgeleiders essentieel zijn voor veel van onze dagelijkse toepassingen. Maar het waren mijn studenten die er tien jaar geleden bij mij op aandrongen om halfgeleiders te gaan inzetten voor dit ‘nieuwe’ doel. Zij voelden de noodzaak.’

 

Kun je een voorbeeld geven van materialen waarmee je werkt met het oog op zonne-energie?

‘Een paper van Berkeley Lab zette ons op het spoor van zinkfosfide, dat eigenlijk nooit eerder echt was onderzocht voor fotovoltaïsche toepassingen. Het idee was om er een nanoschaalversie van te maken, daarvan een inkt te vormen, die je vervolgens kunt verspuiten om een film te krijgen. De eigenschappen van de losse nanodeeltjes klopten, maar samen vormden ze een film die geen stroom gaf. Hoe krijg je het voor elkaar die deeltjes met elkaar te laten praten? Een postdoc veranderde uiteindelijk de synthese, waardoor de schil van de deeltjes, zogenoemde core-shell particles, niet zo ondoordringbaar meer was. Dat had een positief effect.’

 

Gaat dit materiaal het maken?

‘Elke keer als je iets oplost, creëer je nieuwe problemen. En soms, zoals wij nu, moet je even een stap achteruit zetten om op adem te komen. Maar we geven niet op, dat zou zonde zijn. Zinkfosfide is vaak genoemd als een materiaal met potentie. Het kent veel problemen, genoeg om de meeste mensen af te schrikken. Voorbeelden zijn de core-shell-structuur en de stabilisatie ervan met liganden. Ook is het erg gevoelig voor zuurstof en water. Cadmiumfosfide werkt bijvoorbeeld perfect, maar dat materiaal is gross.’

 

Geloof je er nog steeds in?

‘Weet je, ik denk wel eens hoe lang heeft het wel niet geduurd voordat bepaalde technologieën het daglicht zagen. Ik weet het aantal niet meer precies, maar iemand heeft eens voorgerekend hoeveel engineering hours Sony is kwijt geweest aan de lithiumionbatterij. Volgens mij kwamen ze uit op iets van 10 miljoen uur. Dus ik heb nog wel even…’

 

‘Finding the right company is like dating’

 

Maak je je druk over de vraag of je succes hebt?

‘Ik heb de manier waarop mensen naar wetenschap kijken en bovenal hoe ze haar beoordelen de laatste jaren sterk zien veranderen. We lijken enkel nog de productiviteit van onderzoekers te meten, in termen van impactfactoren. Zelf ben ik oud genoeg om me daar niet meer druk over te maken. Maar ik ben wel bezorgd om de jongere generatie. En daarbij betekent meer publicaties ook dat je meer moet reviewen. Dit is een zware taakbelasting voor onderzoekers. En het is dan ook maar de vraag of de kwaliteit van de peer reviews wel zo goed is als je maar weinig tijd per publicatie hebt.’

 

Op je website staat industry collaboration prominent genoemd naast je onderzoeksthema’s. Hoe doe je dat, samenwerken met de industrie?

‘Finding the right company is like dating. Je moet het juiste bedrijf kiezen en dan kan er heel interessant onderzoek ontstaan. Wat je nu bij veel jonge onderzoekers ziet gebeuren, is dat ze het idee hebben dat ze direct, hoe dan ook, met de industrie moeten gaan samenwerken. Ze krijgen de tijd niet om hun eigen domein uit te bouwen. Je moet eerst expertise opbouwen, focussen, weten waar je echt goed in bent. Dan kun je een bedrijf gericht helpen.

Wat voor mij altijd vooropstaat, is interessante wetenschap. Ik heb weleens achter een bedrijf aangezeten, hier in Alberta. Wat voornamelijk in de weg zat, waren de octrooirechten. Volgens mij houden Canadese universiteiten daar veel te veel aan vast. Ik vertrouwde dit bedrijf en heb mijn universiteit verteld dat we voor deze samenwerking verder niets hoefden vast te leggen. Je moet per samenwerking nagaan wat er nodig is om het te laten werken.’

 

Je maakt de hoogte- en dieptepunten van een materiaal als silicium mee

 

Kun je iets vertellen over wat jullie samen doen?

‘We werken samen aan watersplitsing, zeg maar het typische middelbareschoolexperiment waarbij je zonlicht omzet in elektriciteit om water te splitsen in H₂ en O₂. Dat moet toch niet zo moeilijk zijn? Waterstof vormen is het makkelijke gedeelte, maar de O₂-evolution moet je echt aandrijven. Kata­lysatoren met een hoge activiteit en stabiliteit zijn hiervoor essentieel. Je doet het werk echter wel in water waar je zuurstof genereert en dat is een sterk oxiderende omgeving. We werken hiervoor veel met silicium en daar kunnen we twintig jaar kennis in kwijt.’

 

Het lijkt alsof silicium een rode draad vormt in je onderzoek.

‘Klopt. Als je zo lang in een veld werkt, is het interessant om de hoogte- en dieptepunten van een materiaal te zien. Eind jaren negentig had iedereen het over silicium in moleculaire elektronica. Then the field crashed… Toen kwamen de biosensors voorbij, maar daarvoor bleek de stabiliteit te veel te wensen over te laten. Crash. En nu zetten we in op watersplitsing, waar die stabiliteit ook weer een rol speelt… En in de toekomst zullen er weer nieuwe toepassingen bedacht worden, daarvan ben ik overtuigd.’

CV Jillian Buriak

2014-heden: editor in chief ACS-journal Chemistry of materials
2003-heden: hoogleraar, Canada Research Chair in nanomaterialen en senior research officer, University of Alberta en National Insti­tute for Nano­technology
1997: postdoc, Purdue University, VS; universitair hoofd­docent in 2001
1995: aio, Université Louis Pasteur, Frankrijk
1990: bachelor, Harvard University, VS