Het onderzoek van Matthias Bickelhaupt herschrijft letterlijk de tekstboeken van de chemie. ‘Sommige modellen durf ik zinloos te noemen.’
De oplettende lezer heeft de naam of het werk van Matthias Bickelhaupt, hoogleraar theoretische chemie aan de Vrije Universiteit Amsterdam (VU), in de afgelopen anderhalf jaar al vaker voorbij zien komen in C2W | Mens & Molecule. Vaak gingen die artikelen gepaard met termen als ‘paradigmashift’, ‘verkeerde modellen’ en ‘vuistregels op de schop’. Bickelhaupt houdt zich dan ook bezig met de onderliggende mechanismen van de chemie. Nadenken over chemie gaat ver terug, vertelt hij. ‘Mijn eerste herinnering aan scheikunde was ten tijde van de oliecrisis in 1973. Je moest opeens betalen voor plastic tasjes en dat vond ik als kind heel erg. Op de basisschool kreeg ik te horen dat scheikundigen wel een oplossing zouden vinden. Mijn vader die organisch chemicus was beaamde dat.’
’Het gaat niet vanzelf; het is moeilijk om tot iets makkelijks te komen’
Chemie was uiteindelijk ook Bickelhaupts studiekeuze – ‘Dat communiceert het meest met de andere natuurwetenschappen’ – in de vorm van een major theoretische chemie, een minor organische chemie en als extraatje fysische chemie. ‘De organische chemie is voor mij de chemische boom die alle andere chemische takken met elkaar verbindt’, zegt Bickelhaupt. ‘Maar mijn drijfveer is toch “het grote waarom”: ik wil weten waarom fenomenen werken zoals ze werken en dat vind je in de theorie.’
Wat was een idee dat je hielp aan het begin van je carrière?
‘Het begon met het besef dat chemici de juiste tools ontwikkelen om de wereld te veranderen, waar ik nog steeds vierkant achter sta. Dat in tegenstelling met wat je tegenwoordig hoort, dat chemici de wereld kapot zouden maken. Nee, de tools worden misbruikt, maar de chemici zorgen ervoor dat het niet uit de klauwen loopt.
Na een aantal postdocs en een plek als Habilitand in Duitsland kreeg ik een vaste positie aan de VU in Amsterdam. Normaal heb je als beginnend onderzoeker dan meer ideeën dan geld, maar ik kreeg in 2002 al een Vici-grant, zodat ik bijna al mijn ideeën tegelijk kon opstarten. Die gingen met name over elementaire bindingstheorie, maar ook over katalyse, biochemie en reactiviteit, met altijd als basis chemische theorie.’
Klopt het dat je ontevreden was over de stand van zaken op theoriegebied?
‘Fysisch organische chemie was lange tijd: op basis van, computationele, experimenten observaties doen en daarbij hypotheses poneren. Die waren op zich plausibel en gaven enige houvast, maar ze keken niet onder de oppervlakte; juist daar ligt mijn interesse. De berekening is het startpunt, de analyse brengt je pas bij de kern.’
Om tot die kern te komen gebruik je kwantumchemie. Dat staat bekend als ongrijpbaar en ingewikkeld. Maar jij maakt er doelmatig gebruik van.
‘Er zijn in deze tijd veel theoretici die zich vooral interesseren in het nauwkeuriger maken van de kwantumchemische benaderingen. Daar gaat terecht veel tijd heen. Het zorgt er alleen wel voor dat je een steeds complexere numerieke machinerie krijgt die ondoorgrondelijk lijkt. Het is juist een van de grootste uitdagingen van de theoretische chemie in de eenentwintigste eeuw om de leidende termen in je formules terug te vinden, de patronen in het geheel die bepalend zijn voor de uiteindelijke uitkomst. Onze onderzoeksgroep onderscheidt zich doordat we de dominante patronen in de complexiteit van de kwantumchemie proberen te identificeren en die dan ook duidelijk uitleggen. Dat gaat niet vanzelf; het is moeilijk om tot iets makkelijks te komen.’
Hoe kies je welk model je daarvoor gebruikt?
‘Een model moet nauwkeurig zijn, maar ook causale verbanden leggen tussen de concepten van de individuele moleculen en hoe ze kunnen wisselwerken. Wij gebruiken MO-theorie [moleculaire orbitaal-theorie, red.], daarbij bestaan de concepten onder andere uit de orbitaaloverlap en de energy gap. Door naar die essentiële concepten te kijken, wordt het MO-theoriemodel ontwapenend eenvoudig. Je zou de corresponderende formule voor de HOMO-LUMO-interactie ofwel algemene donor-acceptorinteractie [ΔE = S2/Δε, red.] kunnen zien als de chemische versie van E = mc2. Misschien niet even universeel, maar wel heel eenvoudig en bepalend voor het gedrag.
‘Ik verwacht dat je in de toekomst geen trial-en-error meer hoeft te doen’
Er zijn andere modellen, zoals het topologische model, maar die leggen niet uit waarom een interactie sterk of zwak wordt. Dat zijn modellen die ik zinloos durf te noemen – niet fout! – maar wel zinloos.’
Sommige onderzoekers doen fundamentele chemie om de fundamentele chemie. Jij lijkt toch ook graag de praktijk op te zoeken.
‘Ik ben ongelofelijk nieuwsgierig, maar ben er sinds mijn jeugd ook rotsvast van overtuigd dat scheikunde praktische problemen kan oplossen. Nieuwsgierigheidsgedreven en praktisch onderzoek zijn twee onafhankelijke drijfveren, maar allebei noodzakelijk. Ons project bij ARC CBBC [industrieel-academisch samenwerkingsverband voor de vergroening van de chemie red.] is daar een mooi voorbeeld van [zie dit artikel, red.]. We werken samen met Nouryon [afsplitsing van AkzoNobel, red.] om nieuwe polymeerinitatioren te ontwikkelen. Dat sluit aan bij ons bindings-theoretisch project waarbij we proberen te begrijpen waarom een binding sterk of zwak is. Nouryon wil die kennis gebruiken om betere initiatoren te maken. Zo komt fundamenteel nieuwsgierigheidsgedreven onderzoek direct overeen met praktijkgericht, probleemoplossend onderzoek.’
Hoe gaat het fundamentele en het theoretische de organische chemie veranderen?
‘Ik verwacht dat je in de toekomst geen trial-en-error meer hoeft te doen, niet in het experiment én niet in de theorie. De moderne theoretisch chemische tools leggen al steeds meer de mechanismen bloot, zodat we weten waarom iets gebeurt en dus ook wat je moet doen om iets te bereiken.
De nuttige kern uit de huidige AI-hype gaat daarbij helpen. We kijken zelf of je AI kunt trainen op mechanismen in plaats van op fenomenen. Dat de AI ingebakken krijgt wat de verschillende mogelijke bindingsmechanismen zijn. Dan kan het sneller met minder data wetenschappers helpen om mechanismen op te helderen. Ik denk daarom ook dat de leerboeken binnen nu en tien jaar herschreven worden. Qua theorie van de chemie komt er een chemie 2.0 aan.’
In het blad hebben we al een paar keer wat voorproefjes van ‘chemie 2.0’ uit jouw groep mogen zien. Spoor je collega’s aan om jullie nieuwe theorieën in de collegezalen te gebruiken?
‘Er zijn er al een hele hoop die dat doen, alleen is dat nog wel een minderheid. Maar dat is hoe we een ruk aan het stuur van de spreekwoordelijke olietanker kunnen geven. We hebben al contacten met tekstboekschrijvers, bijvoorbeeld Michael Smith, schrijver van March’s advanced organic chemistry, die veel van onze bevindingen al in zijn boek heeft verwerkt. Binnen Nederland kijken we ook in een groepje of we niet zelf een nieuw leerboek organische chemie kunnen schrijven. Het gaat zeker gebeuren, maar het heeft tijd nodig. Niet alleen om de mentale weerstand tegen nieuwe inzichten te bedaren, maar ook de tijd om hoofdstukken van bestaande boeken te herschrijven.’
’Een probleem van Plan S is dat het aantal baggertijdschriften de pan uit is gerezen’
Je schopt zodoende chemische heilige huisjes omver en zet paradigmaverschuivingen in gang, maar in hoeverre zijn die nieuwe invalshoeken langer houdbaar? Worden je ideeën niet gewoon nieuwe huisjes, waar een ander weer tegen aan kan schoppen?
‘Ik ben er niet bang voor, omdat onze modellen zijn gestoeld op de wetten van de natuurkunde. De moleculaire fysica zal niet meer veranderen. Daarnaast laten we met onze modellen causale verbanden zien, dus ik verwacht dat ze redelijk goed stand zullen houden. Wat wel zou kunnen is dat iemand een handiger model maakt, maar als dat zo is dan juich ik dat alleen maar toe.’
Iets anders; Open Access. Enkele jaren geleden zei je dat Plan S ‘het evenwicht in de wetenschappelijke wereld zou ontwrichten’. Was die angst terecht?
‘Ik denk dat er wel een ontwrichtende kracht vanuit is gegaan, maar dat het – beter dan ik had gedacht – is geabsorbeerd door de wetenschappelijke wereld. De VSNU [Vereniging Samenwerkende Nederlandse Universiteiten, red.] vangt de open access publicatiekosten goed af, en regelt dat het gebeurt. Waar we bang voor waren is dat je ongelooflijk complexe procedures krijgt, waardoor het veel tijd en gedoe kost om te publiceren. Dat is meegevallen. Toch vraag ik me af of het goedkoper geworden is, of dat we juist flink meer zijn gaan betalen. Daarnaast kan het zijn dat het voorwetenschappers uit minder bedeelde landen moeilijker is geworden om te publiceren. Kunnen publiceren is denk ik belangrijker dan dat iedereen alles gratis kan lezen.
Een ander probleem is dat het aantal baggertijdschriften de pan uit is gerezen. Dus wie wel kan betalen, kan middelmatig werk altijd wel kwijt. Naar mijn idee ontstaat er een soort parallelle wetenschappelijke community waarbinnen men elkaar citeert, wat dat soort bladen een redelijke impactfactor geeft. Daarom moet je met verstand kijken naar de impactfactor, omdat het door open access toch wat aan kracht heeft ingeboet. Ik zou zelf groot voorstander zijn voor ‘diamond open access’ voor goede verenigingsbladen zoals die van Chemistry Europe, ACS of RSC: overheidsinstanties betalen de publicatiekosten.’
Midden 2020 vertelde Bas de Bruin in een interview dat hij enigszins gerustgesteld was over plan S omdat de big deals met de VSNU en de society journals waren veiliggesteld. Maar toch maakte hij zich nog zorgen: wat gaat er in 2024 gebeuren als de big deal-contracten aflopen?
‘Ik zou het niet met zekerheid durven zeggen. Het liefst gaat dat door zoals nu, of nog beter: in versimpelde vorm. Als we in Europa willen dat alles open access gaat, betaal dan de goede tijdschriften om dat te regelen. Zorg dat de staat of Europa de open access kosten betaalt. Het geld komt nu van de wetenschappers vandaan, en dus meestal ook van de belastingbetaler. Dat moet simpeler kunnen. De Royal Society houdt Chemical Science bijvoorbeeld zelf open access en ze betalen de kosten uit de inkomsten van hun andere bladen. Zij geloven dat als ze dat zo doen, ze een mega-impact gaan maken. Dus als we zelf ook een mega-impact willen maken, dan moeten we daar ook wat mee. Dat zou best kunnen met het nieuwe vlaggenschip van Chemistry Europe: het tijdschrift ChemistryEurope. De eerste paar jaar is dat voor iedereen open access. Daarmee brengt het ons denk ik het absolute neusje-van-de-zalm qua wetenschap: makkelijk om in te publiceren, makkelijk om te lezen, maar zeer strenge selectie en zodoende het allerbeste wat er is.’
Zo vader, zo zoon
De vader van Matthias Bickelhaupt – Fritz Bickelhaupt – was naast hoogleraar organische chemie aan de VU ook actief in de Nederlandse chemische gemeenschap. Zodoende schreef hij ook twee artikelen in het toenmalige Chemisch Weekblad over hoe ver de chemie in vijftig jaar tijd was gekomen. Dat is nu bijna vijftig jaar geleden (1976) en dus legden we een aantal uitspraken van Bickelhaupt senior voor aan junior.
FB: ‘Op boeiende en aanschouwelijke wijze heeft Ziegler in zijn Nobelvoordracht beschreven, hoe deze ontwikkeling het gevolg was van konsekwente uitbuiting van toevallige waarnemingen, alsmede van het feit dat hij in een zeer op de praktijk gericht omgeving (…) niet in zijn vrijheid tot fundamenteel onderzoek werd belemmerd.’ CW mei 1976, pagina m258.
MB: ‘Ik ben het er hartgrondig mee eens. Ik heb altijd een hele goede relatie met mijn ouders gehad, mijn vader en ik waren het heel erg eens over de manier hoe je wetenschap moest bedrijven. Mijn vader was erg voor nieuwsgierigheidsgedreven onderzoek en hij vond helemaal niet dat je praktisch onderzoek daarbij moest uitsluiten. Dus zo zijn er best wel parallellen tussen ons. Je moet mensen vrij laten in hun onderzoek.’
FB: ‘De strijd aan het theoretisch front gaat nu eerder om de vraag, of de semi-empirische methoden, zoals bijvoorbeeld [sic] MINDO 3 van Dewar, of de zogenaamde ab initio methoden op den duur de meest betrouwbare resultaten zullen leveren.’ Idem.
MB: ‘Ab initio heeft die strijd gewonnen, maar er is een methode die het nog beter doet: de dichtheidsfunctionaaltheorie. Dat is ook een soort ab initio, maar die term is geclaimd door de golffunctie gebaseerde methoden en wordt dus meestal niet voor DFT gebruikt.’
FB: ‘Aan het voorbeeld van het begrip aromaticiteit kan men dan ook naar mijn mening het verschil tussen de benadering door de zuiver theoreticus of fysisch chemicus aan de ene kant en van de theoretisch geïnteresseerde organicus aan de andere kant als volgt aangeven: terwijl de eerste groep door middel van berekening of fysische meting het waargenomen fenomeen of een bestaand molekuul zo goed mogelijk tracht te benaderen of te begrijpen, probeert de organicus vaak door synthese van nieuwe molekulen en strukturen voorspellingen te verifiëren of het onderhavige fenomeen nog beter en zuiverder waarneembaar te maken.’ Idem, p. m259
MB: ‘Ik zie mijzelf als een synthese van beiden. Je hebt inderdaad mensen die of het een of het ander zijn, maar ik val in beide categorieën.’
Nog geen opmerkingen