Lorenzo Albertazzi pleit voor meer aandacht voor het formuleren van goede vragen. En hij wil geavanceerde microscopie routine maken voor chemici. ‘Om beter te begrijpen hoe materialen in elkaar zitten en hoe ze werken.’

Hoe ontwerp je materialen die precies doen wat jij voor ogen hebt? Lorenzo Albertazzi (37) heeft het antwoord (nog) niet paraat, maar hij is ervan overtuigd dat het zonder gedetailleerde kennis van de structuur en de moleculaire organisatie van materialen niet gaat lukken.

Albertazzi, associate professor bij de groep molecular biosensing for medical diagnostics aan de Technische Universiteit Eindhoven (TU/e), gebruikt daarvoor geavanceerde technieken, zoals super-resolutie­microscopie. Met die techniek omzeil je de diffractielimiet van licht en maak je individuele, fluorescent gelabelde bouwstenen op nanoschaal zichtbaar in een materiaal. Als het aan hem ligt, wordt die nu nog geavanceerde en complexe techniek straks een standaardinstrument voor chemici. Maar dan moeten chemici en microscopisten elkaars wereld (beter) leren kennen. In zijn onderzoeksgroep brengt Albertazzi die combinatie alvast in de praktijk.

Kun je kort uitleggen wat de essentie van super-resolutiemicroscopie is?

‘Bij optische microscopie, waar super-resolutiemicroscopie ofwel SRM onder valt, denk je al snel aan een sterk uitvergrote ‘foto’ die je maakt. Bij SRM krijg je echter geen foto, maar een beeld dat je kunt vergelijken met een kaart. Je krijgt de x,y,z-coördinaten van fluorescente labels die je aan moleculen in je materiaal hebt geplakt. Die labels worden zichtbaar en omdat je weet waar in je materiaal die labels zitten, kun je een beeld reconstrueren van het complete materiaal.’

Dus je hebt al veel kennis vooraf over je materiaal?

‘Ja, we gebruiken dit om allerlei materialen te bestuderen die we van tevoren hebben ontworpen en gesynthetiseerd. Maar om een materiaal goed te karakteriseren, zet je altijd meer dan één techniek in. We werken momenteel ook veel aan wat we correlatieve visualisatie noemen. Dan bekijk je in één sample exact hetzelfde stukje van het materiaal met verschillende technieken, bijvoorbeeld elektronenmicroscopie en SRM, en die beelden leg je dan over elkaar, waardoor je verschillende lagen in je informatie krijgt.’

Hoe ziet dat eruit?

‘Vergelijk het met een locatie die je opzoekt in Google Maps. Je krijgt dan een overzicht van het landschap en de omgeving, je ziet bijvoorbeeld waar de straten en rivieren lopen, of er bergen zijn et cetera. Dat is het beeld dat je met elektronenmicroscopie krijgt. Je kunt vervolgens ook de points of interest selecteren en dan zie je in datzelfde plaatje ook waar de kathedraal, hotels en musea zijn. Dat soort informatie maak je met SRM zichtbaar.’

Waarom zijn SRM en andere microscopische technieken belangrijk voor chemici?

‘Om beter te begrijpen hoe materialen in elkaar zitten, waardoor je ook beter kunt begrijpen hoe ze werken. Of waarom ze niet werken. Vooral dat laatste, want mislukte experimenten geven we nu nauwelijks aandacht, we proberen liever iets nieuws. Chemie draait nog steeds vooral om het maken. Maar de synthetische chemie is zo ver ontwikkeld dat de uitdaging niet langer ligt in het maken, die ligt in het functioneel ontwerpen van moleculen en materialen die precies doen wat jij voor ogen hebt. Dat is nog ongelooflijk moeilijk omdat er oneindig veel mogelijkheden zijn. Hoe kies je dan de meest kansrijke? Nu is het een kwestie van veel verschillende materialen maken en testen en net zo lang doorgaan tot je een keer raak schiet. Dat kan even duren, want er mislukt altijd heel veel.’

En waar biedt microscopie dan uitkomst?

‘Als je goed bestudeert waarom een materiaal niet werkt, kun je efficiënter gaan verbeteren. En daarvoor moet je weten hoe een materiaal eruitziet. Met de huidige geavanceerde technieken, zoals SRM, kun je precies zien hoe alle moleculen in het materiaal zijn geordend en wat waar zit. Dat is bijvoorbeeld heel relevant voor de materialen waaraan wij werken. Die bestaan uit nanodeeltjes met gefunctionaliseerde oppervlakken. We weten wel wat er zoal op die oppervlakken zit, maar we weten niet hoe de verdeling van de functionele groepen over de afzonderlijke deeltjes is, omdat we alleen gemiddelden kunnen meten. Met SRM kunnen we van individuele nanodeeltjes bepalen hoeveel en welke groepen erop zitten. Dat geeft aanknopingspunten om de synthese aan te passen, zodat je meer controle krijgt over het oppervlak van de individuele deeltjes. Dat is essentieel als je materialen wilt maken voor biomedische toepassingen.’

Jullie ontwerpen en maken zelf ook nieuwe materialen?

‘Jazeker, wij werken vooral aan gefunctionaliseerde nanodeeltjes voor gerichte medicijnafgifte. In mijn groep gaan synthese van materialen en technologieontwikkeling hand in hand. Dat is cruciaal om ervoor te zorgen dat de mensen die de moleculen maken en de mensen die ze bekijken elkaar leren begrijpen en echt inhoudelijk samenwerken. Dat gaat bij ons in cycli: we ontwerpen en maken een nieuw materiaal, dat bestuderen we met SRM, we testen de werking van het materiaal en al die informatie samen geeft input voor een aangepaste synthese, en dan begint het proces opnieuw.’

Is het niet enorm omslachtig om na iedere synthese ook meteen een SRM-analyse uit te voeren?

‘Nu nog wel, omdat de techniek nog zo nieuw is. Maar hoe meer een technologie zich ontwikkelt, hoe eenvoudiger die toe te passen is. Kijk maar naar NMR. Dat was ooit ook een ingewikkelde, omslachtige techniek die slechts weinigen beheersten, maar nu is dat de gewoonste zaak van de wereld. Even een NMR’tje maken. Je kunt je toch geen organisch lab meer voorstellen zonder NMR? Ik wil dat SRM net zo’n routinetechniek wordt in het materiaal­onderzoek.’

Als je weet wat de structuur is, weet je ook de functie. Die mantra horen we al heel lang. Maar is die aanname wel juist?

‘Het is nu nog niet waar, dat klopt, maar dat is omdat we gewoon niet genoeg weten. We hebben eerst meer kennis nodig van de structuur van een materiaal om de verbanden met de functie te kunnen gaan leggen.’

Hoe groot is SRM op dit moment in het mate­rialen­onderzoek?

‘Optische microscopie is traditioneel echt een techniek voor biologen en zij hebben SRM veel sneller omarmd. SRM voor materialenonderzoek is nog steeds een niche, maar ook daar zie je nu een snelle groei. De TU/e behoorde binnen de chemie overigens wel tot de early adopters. Wij hebben vrij snel SRM toegepast op supramoleculaire materialen. Ook groepen in Utrecht en Leuven gingen hiermee snel aan de slag om zeolieten en vaste katalysatoren te bestuderen.’

Waarom sloeg het in Eindhoven wel aan?

‘Je hebt expertise en infrastructuur nodig in zowel geavanceerde microscopische technieken als in synthese en karakterisatie van materialen. Die twee vakgebieden heb je niet automatisch binnen één instituut. Het Instituut voor Complexe Moleculaire Systemen van de TU/e heeft dat wel. Daardoor konden we snel de potentie van SRM herkennen en inzetten.’

Hoe werd jij vanuit de chemie een expert in microscopie? En waarom in Eindhoven?

‘Het ging allemaal niet zo bewust. Tijdens mijn studie scheikunde vond ik vooral de natuurkundige vakken heel leuk en daarom koos ik voor een promotie in de biofysica en zo kwam ik met microscopie in aanraking. Het laatste jaar van mijn promotieonderzoek deed ik bij de materiaalchemie groep van Craig Hawker in Santa Barbara, VS. Ik had geen idee wat ik daarna wilde doen. Een van mijn collega’s had zijn promotie aan de TU/e bij Bert Meijer gedaan en was daar helemaal vol van. Toen ben ik eens gaan lezen wat ze daar zoal deden en dat sprak me wel aan. Ik heb contact gezocht met Bert en werd uitgenodigd om te praten over een postdocplaats. Uit gesprekken in Eindhoven was het me meteen duidelijk dat hier een heel open en creatieve sfeer heerst en dat er oprechte interesse is voor elkaars onderzoek.’

Wat is je grotere doel? Wat wil je uiteindelijk graag bereiken met je onderzoek?

‘Pff, die vraag weer. Sommige mensen geven dan antwoorden als ‘ik wil kanker genezen’, maar dat vind ik zo simplistisch. Alsof iemand dat in zijn eentje kan bereiken. Ik denk niet in zulke doelstellingen over mijn werk, ik vind het veel belangrijker om goed onderzoek te doen.’

En wat is dan goed onderzoek?

‘Het draait allemaal om de vraag; de kwaliteit van de vraag is het belangrijkst. Door stapsgewijs goede vragen te stellen, bouw je goed onderzoek op. Die vragen beantwoorden is vooral een kwestie van tijd, toewijding en energie. Ik vind dat we niet genoeg tijd nemen om goed na te denken en de juiste vragen te formuleren. In dat opzicht bracht de lockdown ook iets positiefs teweeg.’

Hoe dan?

‘Voor de mensen in mijn groep bood die periode ruimte en tijd om na te denken over hun onderzoek en hoe ze dat willen structureren. En toen langzaamaan het lab weer openging, moest iedereen veel meer dan normaal experimenten en metingen plannen, omdat ze er niet elke dag mochten zijn. We zien toch vaak dat iedereen als een gek van experiment naar meting naar weer een experiment rent. Maar het is heel belangrijk dat je ook goed nadenkt over wat je doet en waarom. Schakel even terug en neem de tijd om te denken. Minder nadruk op kwantiteit, meer aandacht voor kwaliteit. Dat zou ik echt graag zien in de wetenschap.’