De Nederlandse chemicus Theo Dingemans onderzoekt in de VS de bijzondere eigenschappen van het polymeer PBDT. Hij valt de laatste jaren van de ene verbazing in de andere.

Er waren al wel aanwijzingen. Toch werden materiaalwetenschapper Theo Dingemans (54) en zijn vriend en collega Lou Madsen, Virginia Tech, even stil bij het zien van de röntgenopname van de structuur van het aromatische polymeer waaraan hij de laatste jaren werkt. ‘We zijn gewend polymeren in oplossing te beschouwen als flexibele spaghetti. Van PBDT wisten we dat het al bij zeer lage concentraties in water heel rigide is. Iets moest het polymeer in die toestand dus heel stijf maken. Maar toen die foto kwam, hadden we hier allemaal even het idee dat we naar die iconische DNA-plaat van Rosalind Franklin zaten te kijken.’

Nadere analyse met onder meer NMR en modellering bevestigde het beeld: het aromatische polymeer PBDT assembleert in water spontaan tot dubbele helices. Het is een verbazingwekkende vondst, die afgelopen voorjaar leidde tot een publicatie in Nature Communications. Waardoor het polymeer die structuur aanneemt, is nog niet helemaal duidelijk. Dingemans: ‘Het zijn moleculen waartussen zich alle mogelijke secundaire interacties voordoen. Ionische interacties, Vanderwaalskrachten, pi-pi-bonds, waterstofbruggen, het zit er allemaal in.’ Dingemans probeert nu uit te vinden is of die zelfassemblage een general design rule is of dat het misschien stomtoevallig voor deze ene vorm van PBDT opgaat. ‘Misschien gebeurt er al iets heel anders als het polymeer niet is geassocieerd met natriumionen, zoals wij hebben onderzocht, maar met kalium- of nog andere ionen. We weten het niet. En door de zeer hoge molecuulgewichten kost het ook nogal wat moeite om dat goed uit te zoeken.’

Ingewikkelde naam

Dingemans begon te werken met PBDT – ‘Poly-en-dan-een-heel-ingewikkelde-IUPAC-naam-die-ik-straks-wel-wil-opzoeken-en-mailen-als je-dat-op-prijs-stelt’ (poly(2,2’-disulfonyl-4,4’-benzidine terephthalamide, red.) – aan de Technische Universiteit Delft. Daar zocht hij tussen 2009 en 2016 als hoogleraar lucht- en ruimtevaarttechniek en technische natuurwetenschappen naar een materiaal waarmee je in drie dimensies op gecontroleerde wijze ionen kunt laten voortbewegen. ‘Wij hebben PBDT niet bedacht. Je moet het zien als een Kevlar- of Twaron-achtig stofje (aramiden van respectievelijk DuPont en Teijin, red.), dat door de aanwezigheid van een aantal SO₃-groepen wateroplosbaar is. Een Japanse groep heeft het als eerste gesynthetiseerd. De bouwstenen ervoor zijn gewoon bij de chemische groothandel te koop. Wel hebben wij de nodige aanpassingen gedaan om het materiaal geschikt te maken voor onze beoogde toepassing.’ Dat het polymeer spontaan dubbele helixen zou vormen had Dingemans vooraf nooit kunnen voorspellen.

PBDT assembleert in water spontaan tot dubbele helixen

Als je op een oplossing van PBDT in water een ionische vloeistof legt, dan wil die ionische vloeistof rond de sulfonylgroepen gaan zitten en duwt het dus, afhankelijk van de concentratie, meer of minder water uit die helical rods. Zo vormt zich een soort moleculair composietmateriaal dat zachter is bij veel ionische vloeistof en stijver bij minder ionische vloeistof. ‘In feite heb je daarmee een vaste stof die je als elektrolyt kunt gebruiken. En die niet brandt, want zowel aramiden als ionische vloeistoffen branden niet.’ Toekomstige toepassing bij de vervaardiging van batterijen lijkt voor de hand te liggen.

Meer verrassende eigenschappen

Ondertussen blijven Dingemans en collega’s nieuwe verrassende eigenschappen van PBDT ontdekken. ‘Het is, zoals ze in de VS zeggen, a gift that keeps on giving. Onlangs hebben we vastgesteld dat je een bijzonder taaie gel krijgt als je PBDT helical rods en ionische vloeistof in water heel snel roert, een eigenschap die in de materiaalkunde bekendstaat als shear thickening. Dat is een eigenschap die bijvoorbeeld de vloeistof in onze gewrichten ook heeft. En als je in plaats van ionische vloeistof het polymeer mengt met grafeenoxide, krijg je juist een supersterk en lichtgewicht nano­composiet.’

Dingemans en zijn collega’s vallen van de ene verbazing in de andere. ‘Het voelt alsof we een heel nieuwe doos lego aan het openmaken zijn, met allemaal mooie nieuwe blokken. Op dit moment kijken we nog heel voorzichtig wat er allemaal voor moois in de doos zit, ook omdat het met die zelfassemblerende moleculen al moeilijk genoeg is om overal een goed beeld van te krijgen.’

Daar zal het vast niet bij blijven. Dingemans, opgeleid tot chemisch technoloog en gepromoveerd als polymeerchemicus, denkt niet in hokjes van fundamentele wetenschappelijke vragen óf belangrijke maatschappelijke toepassingen. Ook het nieuwe departement applied physical sciences van de University of North Carolina at Chapel Hill dat hij in de VS mee mag opbouwen gaat nadrukkelijk uit van een convergerende, interdiscliplinaire natuurwetenschappelijke aanpak van reële maatschappelijke vraagstukken.

Veelzijdige toepassingen

Met collega-onderzoekers verkent Dingemans eigenschappen van PBDT-varianten voor toekomstige toepassingen, bijvoorbeeld als selectief membraan om afvalwater te zuiveren, designeromhulling voor medicijnen, of als ultrasterk superlichtgewicht nanocomposiet. Een goede eerste toepassing lijkt die als vaste elektrolyt voor de opslag van elektrische energie, zoals Dingemans en collega’s in de VS al in 2016 in een publicatie in Advanced Materials beschreven. Ook bij de opwekking van energie lijkt PBDT een rol te kunnen gaan spelen.

De toepassingsmogelijkheden zijn groot, net als de wetenschappelijke vragen die verder onderzoek aan PBDT kunnen helpen beantwoorden. Dingemans: ‘Natuur­lijk gaan we verder uitzoeken hoe en waarom die zelfassemblage tot een dubbele helix in zijn werk gaat, want we willen die kunnen beïnvloeden. Dat leert ons wellicht ook iets over het hoe en waarom van de secundaire structuur van DNA, hoewel dat natuurlijk een heel ander molecuul is. En eigenschappen als shear thickening bestuderen, leert medici wellicht weer iets over de gewrichtsvloeistof.’

‘We hebben alle disciplines nodig om de dingen goed binnenstebuiten te keren’

De komende jaren verwacht Dingemans dan ook veel samen te werken met wetenschappers uit allerlei natuurwetenschappelijke vakgebieden. ‘We hebben alle disciplines en methodes nodig om de dingen goed binnenstebuiten te keren en te ontdekken wat er precies gebeurt. Ik heb bijvoorbeeld geen verstand van het maken van selectieve membranen. Dus zijn we momenteel bezig met experts op dat gebied om die kant verder te ontwikkelen.’

En de zelfassemblerende helical rods van PBDT als onderdeel van synthetische cellen? ‘Synthetische cellen, daar lees ik wel eens over’, zegt Dingemans met een lach. ‘Dat is bepaald niet mijn expertise. Maar als we in de toekomst veel meer over ons polymeer weten, wil ik Wilhelm Huck in Nijmegen daar best eens over raadplegen.’

Een belangrijke overeenkomst in hun werk is alvast dat de processen die beide wetenschappers bestuderen plaatsvinden in water als oplosmiddel. ‘Geheel aromatisch polymeren, zoals PBDT, moet je vaak vanuit dure of milieubelastende oplossingsmiddelen verwerken tot een product. Onze PBDT/IL elektrolyten en onze PBDT/grafeenoxide nanocomposieten kun je vanuit water verwerken’, vertelt Dingemans. ‘Voor ons is dat een welkome bijkomstigheid. Dat vergroot niet alleen de toepassingsmogelijkheden enorm, het geeft ook gewoon schonere chemie.’