Supramoleculaire chemie wordt pas robuust als je de moleculen stevig aan elkaar smeedt, vindt Fraser Stoddart. En dat kun je ook extrapoleren naar het persoonlijke vlak. ‘De vooruitgang komt vooral van wetenschappers die wél samenwerken.’

Mechanostereochemie, zo omschrijft Sir J. Fraser Stoddart zijn specialisme. En dat is volgens hem eigenlijk net iets anders dan supramoleculaire chemie, waar het gewoonlijk voor wordt uitgemaakt. Meestal bestaan supramoleculaire systemen uit losse moleculen die bij elkaar worden gehouden door niet-covalente bindingen zoals waterstofbruggen. En Stoddart vraagt zich hardop af of die voor praktische toepassingen wel stevig genoeg zullen blijken. “Misschien moeten we wel toegeven dat de chemie op haar best was toen ze nog robuust was”, zo verzucht hij.

Sinds het begin van de jaren negentig synthetiseert Stoddart moleculen letterlijk om elkaar heen. Ze zitten niet chemisch, maar mechanisch aan elkaar: om ze los te krijgen moet je er eentje in tweeën hakken. Voorbeelden zijn rotaxanen (een haltervorm met een ring eromheen), catenanen (een ketting met twee of meer schakels) en Borromeaanse ringen, die met zijn drieën zó door elkaar zijn gevlochten dat het geheel uit elkaar valt wanneer je een willekeurige ring doorknipt. In Stoddarts lab zijn ook de olympische ringen wel eens op moleculaire schaal nagemaakt. Op papier lijkt het simpeler dan het is: je hebt immers geen ‘handjes’ die de ringen in vorm kunnen trekken. “De moleculen moeten slim genoeg zijn om uit zichzelf in elkaar te grijpen”, aldus Stoddart, die het wel eens vergelijkt met een stropdas die zichzelf strikt.

Stoddarts liefde voor mechanische bindingen werd niet alleen gewekt door een meccanodoos, maar ook door zijn vaders landbouwmachines. “Die waren toen nog zo simpel dat je ze zelf uit elkaar kon halen. Zo kwam ik op het idee dat je in de chemie ook dingen in elkaar moest kunnen zetten.” Hij kan niet nalaten te benadrukken hoeveel hij aan zijn jeugd op een boerderij nabij het Schotse Edinburgh te danken heeft.

Onlangs was hij even in Nederland om te spreken tijdens een symposium ter ere van zijn Nijmeegse collega-nanotechnoloog, Roeland Nolte. Voor een interview met C2W offerde hij graag zijn lunchpauze op.

Wanneer gaan we de eerste praktijktoepassingen van supra­moleculaire techniek zien?

“Eigenlijk zijn die er al. Lcd’s, vloeibare kristallen, passen heel aardig binnen het vakgebied. Maar inderdaad, de supramoleculaire chemie is niet zo productief geweest in het creëren van spin-offs als sommigen van ons hadden gehoopt.

De afgelopen dertig jaar zijn we steeds meer gaan begrijpen van niet-covalente bindingen en zwakke bindingen in het algemeen. We moeten onze drang intomen om nog meer uit te vinden over nog minder. Ik denk dat van ons wordt verwacht dat we uit onze schulp kruipen en beginnen met de toepassing van schakelaars en andere gadgets waar de samenleving wat aan heeft.”

Zelf werk je onder meer aan medische toepassingen. Je hebt al eens een glazen nano-geneesmiddelenhoudertje gebouwd, met rotaxanen als klepjes die pas opengaan wanneer het moet. Ik begrijp dat dat iets persoonlijks is?

“In 2004 heb ik mijn vrouw verloren aan borstkanker, na twaalf jaar strijd. In die tijd ben ik een beetje een amateur-oncoloog geworden. Ik heb geleerd dat de manier waarop we kanker bestrijden nogal middeleeuws is. Chemotherapie is niet zulk goed nieuws voor gezonde cellen. Je raakt er de kwaliteit van het leven door kwijt. Als we de dosis met een aantal ordegroottes kunnen verkleinen – denk aan 1 miljoen keer – dan zijn we een eind op weg om metastatische kanker te veranderen in een chronische ziekte waarmee de patiënt redelijk gezond kan leven.”

Wordt dat het eerste toepassingsgebied?

“Waarschijnlijk zullen we de eerste toepassingen inderdaad in de bionanotechnologie zien. Misschien nog wel eerder in de diagnostica dan op het vlak van behandeling. De moderne westerse samenleving is immers heel erg bezig met gezondheid. Maar misschien zijn onze kameraden in het oosten wel meer geïnteresseerd in gadgets die het dagelijks leven veraan­genamen.”

Je vertelde dat je ook al bezig bent geweest met moleculaire elektronica.

“Ja, dat was samen met collega Jim Heath. Ik kon hem in het begin niet helemaal volgen, maar ik snapte dat hij moleculen tussen twee elektrodes wilde hangen. Ik vroeg wat hij als schakelaar wilde gebruiken en hij antwoordde: ‘We hebben altijd de catalogus van Aldrich nog.’ Ik dacht: ‘dat moet beter kunnen!’ Zo werd het idee geboren om rotaxanen of catenanen te gebruiken als moleculaire schakelaars.”

Supramoleculaire chemie wordt vaak genoemd in verband met energieopwekking en -opslag. Welke rol kan ze daar precies in gaan spelen?

“Dat is moeilijk te zeggen. Je moet toe naar geïntegreerde systemen die veel complexer zijn dan wat we ons nu kunnen voorstellen. Maar er zal van ons worden gevraagd dat we boven een bepaald rendement zullen uitkomen bij het oogsten van zonne-energie en het opslaan van waterstof. Wat dat laatste betreft zijn we waarschijnlijk al aardig op weg door de komst van metal organic frameworks, oftewel MOF’s. BASF en andere bedrijven kijken daar nu zeer serieus naar. Binnenkort zijn we zo ver dat we waterstof bij kamertemperatuur efficiënt genoeg kunnen opslaan om een auto 500 km te laten rijden voordat hij moet tanken.

Maar je moet heel voorzichtig zijn met het voorspellen van de toekomst. Denk maar aan Lord Kelvin, een gerenommeerd fysicus, die in 1885 nog stelde dat het onmogelijk was om een vliegende machine te bouwen.”

MOF’s zijn een soort poreuze kristalstructuren, opgebouwd uit metaalionen en organische bouwstenen. Is dat niet heel wat anders dan wat we ons tot nu toe bij supramoleculaire chemie voorstellen?

“Chemistry is going beyond supramoleculars. MOF’s laten zien dat het interessant is om structuren te maken die steviger zijn en meer covalente bindingen bevatten. Of heel grote systemen waar heel veel niet-covalente bindingen in zitten, die door hun grote aantal het geheel robuust maken.”

Tijdens lezingen leg je heel sterk de nadruk op het belang van samenwerking binnen de wetenschap.

“Dat komt ook weer door die boerderij. In de moeilijke tijden vlak na de oorlog was er heel veel onderlinge steun binnen de boerengemeenschap. Ook in de wetenschap zijn er altijd collega’s geweest die goed waren in dingen waar ik zelf minder goed in was. Zo heb ik heel snel de voordelen van samenwerking leren waarderen.

Academici worden vaak alleen geïdentificeerd met wat ze zelf doen. Maar de laatste dertig jaar zie je dat de vooruitgang vooral komt van mensen die wél samenwerken. Zeker in de nanotechnologie, die chemici, fysici, biologen en ingenieurs samen heeft gebracht. Het werd ook wel tijd. De wetenschap in het midden van de vorige eeuw was te veel in zichzelf gekeerd, met vakgebieden die te nauw gedefinieerd waren. Het was nodig om overlappende disciplines aan te boren.”

Waarom ben je 11 jaar geleden eigenlijk naar de VS vertrokken?

“Deels vanwege de gezondheid van mijn vrouw. De Britse National Health Service gaf niet genoeg ondersteuning. Maar ook professioneel was het beter om te verhuizen. Het Amerikaanse academische systeem geeft mensen in elk stadium van hun carrière meer kansen. Als je alleen al ziet hoe je als hoogleraar in Europa wordt gedwongen om met pensioen te gaan, terwijl je verslaafd bent aan onderzoek. En zo zijn er meer factoren. Ik heb er totaal geen spijt van gehad.”

Onlangs besloot je met je hele groep van de University of California naar Northwestern University te verhuizen. Waarom?

“Ach, ik zei tegen mijn collega’s: ik ben hier nu 8 jaar geweest, misschien is het tijd om te verhuizen. Wat ook meespeelde was het vertrek van de vorige gouverneur van Californië, Gray Davis. Nanotechinstituten – waarvan ik er eentje leidde – waren een beetje een stokpaardje van hem. Ik stond echt perplex dat zijn opvolger Arnold Schwarzenegger er zo weinig interesse in had. Ik vreesde te eindigen als directeur van een witte olifant zonder middelen, en kreeg het gevoel dat het beter was om ruimte te maken voor een opvolger. Die is er trouwens nog steeds niet.”

Ben je aan het werven, hier in Nijmegen?

“In elk geval niet openlijk. Zelfs Northwestern, als privé-instituut, zal de gevolgen van de crisis voelen. We moeten voorzichtig zijn. Maar de nanotechnologie in Nederland is wel heel sterk. David Reinhoudt heeft een belangrijk oeuvre achtergelaten dat nu door Roeland Nolte, Ben Feringa en Bert Meijer verder wordt uitgebouwd. Het zou me niets verbazen als een van die vier ooit een Nobelprijs kreeg, en ik zou er erg blij mee zijn.”

FEITELIJK

Sir J. Fraser Stoddart

1966 PhD, Edinburgh University (VK)

1967-1970 postdoc, Queen’s University, Ontario (Canada)

1970-1990 docent, University of Sheffield (VK)

1978-1981 onderzoeker bij Imperial Chemical Industries (ICI) in Runcorn (VK)

1990-1997 hoogleraar, University of Birmingham (VK)

1997-2007 hoogleraar, UCLA (Los Angeles) en directeur California NanoSystems Institute (VS)

2007-heden hoogleraar, Northwestern University (Evanston bij Chicago) en hoofd Center for the Chemistry of Integrated Systems (VS)

Bron: C2w1, 24 januari 2009