Ontwerp een geschikte moleculaire bouwsteen en zie de nuttige organische nanostructuren vanzelf ontstaan in je bekerglas. Bij DSM Research weten ze nu hoe je dat voor elkaar krijgt, dankzij Sam Stupp.

Weinigen in Nederland zullen ooit hebben gehoord van Samuel I. Stupp, Board of Trustees Professor of Chemistry, Medicine and Materials Science aan de Northwestern University in Evanston bij Chicago. Maar in de Verenigde Staten staat hij bekend als iemand om rekening mee te houden. Hij is namelijk degene die het Witte Huis en de Senaat adviseert inzake nanotechnologie. En hij is dus ook mede verantwoordelijk voor de enorme bedragen die president Bush er in de begroting voor uittrekt: dit jaar 774 miljoen dollar, volgend jaar 847 miljoen. En dat terwijl het National Nanotechnology Initiative (NNI), dat de budgetten verdeelt, een initiatief is van Bush’ voorganger Clinton het belang van nanotech is zo ongeveer het enige waar beide heren het over eens zijn.

Wetenschappers kennen Sam Stupp echter vooral als dé autoriteit op het gebied van nanomaterialen, opgebouwd door organische moleculen. Dóór, want zijn specialisme is ‘self-assembly’. Wil je nanostructuren kunnen produceren in commerciële aantallen, dan moet je wel werken met moleculen die vanzelf in de gewenste houding tegen elkaar gaan liggen en vervolgens stevig blijven klitten, bijvoorbeeld door onderling waterstofbruggen te vormen. Stupps onderzoeksteam probeert modellen te ontwikkelen, waarmee valt te voorspellen of een bepaald molecuulontwerp zich inderdaad zo zal gedragen. Maar het probeert ook die moleculen te synthetiseren, er nanostructuren uit te laten groeien en er toepassingen voor te ontwikkelen. Die toepassingen worden dan mede gecreëerd door de moleculaire bouwstenen te voorzien van passende functionele uiteinden. “Hier een hydrofobe plek, daar een hydrofiel oppervlak, en misschien hier en daar een gat”, om met Stupp te spreken.

Onlangs was hij twee dagen te gast bij DSM Research in Geleen, om zijn werk te presenteren aan de verzamelde wetenschappelijke staf. Zelf zei hij het nog heel voorzichtig: “Er zijn verschillende toekomsten voor organische materialen. Naar mijn bevooroordeelde mening is bionanotechnologie er een van.” Maar het moet wel heel vreemd lopen als die voorspelling niet uitkomt.

Paddestoelen

Stupps favoriete bouwstenen zijn zogeheten rodcoils. Dit zijn tamelijk korte ketenmoleculen die uit twee gedeelten bestaan. Het ene uiteinde (de ‘rod’) is stijf, het andere (de ‘coil’) is veel flexibeler. Aan het vrije uiteinde van de ‘rod’ kan nog een functionele groep worden toegevoegd.

Het oorspronkelijke idee was dat de ‘rods’ samen kristallen zouden vormen, waarvan een zijde zou zijn bedekt met uitstekende ‘coils’ en de andere zijde met de functionele groepen. Dat lijkt in tegenspraak met het feit dat de rodcoils enigszins polair zijn. Je zou verwachten dat de kop van de ene naast de staart van de andere gaat liggen. Maar als je genoeg moleculen tegelijk bij elkaar neemt, gaan de Van der Waalskrachten de dipoolmomenten overheersen. Het gevolg is dat alle rodcoils dezelfde richting op wijzen.

Tot zover komt de praktijk overeen met de theorie. Maar wat er vervolgens precies voor een structuur ontstaat, blijkt moeilijk te voorspellen. In veel gevallen ontstaan paddestoelvormige aggregaten van een stuk of honderd rodcoils. Die paddestoelen klonteren weer samen tot films, waarbij ze in tegenspraak met alle ideeën over dichtste stapelingen allemaal rechtop blijken te gaan staan. De films blijken op hun beurt ook weer stapelbaar te zijn. Zo ontstaat een dik laminaat waarvan de beide zijden totaal verschillende eigenschappen vertonen. “Self-assembled Scotch tape”, in Stupps eigen woorden. De theoretische verklaring zoekt hij vooral in entropie-effecten. De aard van het gebruikte oplosmiddel speelt hierbij ook een belangrijke rol.

Linten.

Inmiddels zijn de rodcoils geëvolueerd tot iets wat Stupp omschrijft als ‘dendron rodcoils’. De functionele groep is hier een harde, dikke kop die zich door waterstofbruggen aan een collega kan binden. Deze moleculen vormen geen paddestoelen. In het juiste oplosmiddel (bijvoorbeeld dichloormethaan) gaan telkens twee stuks met de koppen tegen elkaar liggen. Een volgend paar sluit zich opzij aan, en zo ontstaan supramoleculaire linten die twee molecuullengtes breed zijn. Met zo’n acht H-bruggen per molecuulpaar is het lint vrijwel net zo sterk als een ‘gewoon’ ketenmolecuul, stelt Stupp.

Hij denkt dat dergelijke linten onder meer bruikbaar zijn als wapening van brosse kunststoffen. Vergeleken met de rubberachtige polymeren, die men voor dat doel soms inbouwt, zou je op gewichtsbasis een grootte-orde minder materiaal nodig hebben om dezelfde verhoging van de slagsterkte te bereiken. Wellicht betekent dit dat je polystyreen slagvast kunt maken zonder dat de doorzichtigheid verloren gaat. Wat er gebeurt als je een dergelijk materiaal extrudeert, weet Stupp overigens nog niet. Een DSM-onderzoeker heeft al aangeboden om het voor hem uit te proberen.

Maar er zouden wel eens veel meer toepassingen kunnen zijn. In een publicatie, die binnenkort verschijnt in Nature Materials, wordt beschreven hoe de zichzelf vormende linten een gel vormen die zinkoxidekristallen adsorbeert. Een dergelijke gel zou bruikbaar zijn in een UV-laser: volgens Stupp slaat deze aan bij een lagere pulsspanning dan wanneer je pure ZnO gebruikt.

Een ander onverwacht effect is dat de linten spiraalvormig worden als je ze laat groeien in een polair oplosmiddel, zoals ethylmethacrylaat. Het plan bestaat om zulke spiralen te gebruiken als mal voor supergeleidend materiaal: het is al gelukt om er een laagje cadmiumsulfide op te laten neerslaan. En de nieuwste ontwikkeling is dat je de linten zelf elektrisch geleidend kunt maken door tetrathiofeen in de bouwstenen in te bouwen.

Vezels

Ook in de biomedische sector ziet Stupp perspectieven voor zelfassemblerende moleculen. Het ligt voor de hand om te denken dat ze reserve-onderdelen moeten gaan vormen voor het menselijk lichaam. Dat is echter niet helemaal de bedoeling: de moleculen moeten eerder de matrijzen vormen die natuurlijke herstelprocessen in goede banen leiden. Te denken valt aan een nanovezel die helpt bij het herstel van een dwarslaesie door de neuronen de juiste kant op te drijven en tegelijk allerlei afbraakmechanismen uit de buurt te houden.

Stupps eerste pogingen in de richting van een bionanovezel dateren van een paar jaar geleden. De bouwstenen lijken een beetje op de dendrorodcoils, maar dit keer worden ze opgebouwd uit aminozuren. Stupp’s ‘bio-actieve peptide-amfifielen’ zijn enigszins kegelvormig en in theorie zouden ze moeten samenklonteren tot een bol. Maar ook hier blijkt de praktijk weer iets anders: ze vormen eerst wigvormige plaatjes, en die vormen samen weer een holle vezel.

Het leuke is dat, net als bij de ‘dendron rodcoils’, het assemblagemechanisme in het midden van de ketens zit. Voor de vorming van de nanovezels doet de structuur van de uiteinden er niet zo toe, en dat betekent weer dat je die structuren kunt aanpassen aan de taak die je voor de vezels in gedachten hebt. Stupp schetst een scenario waarbij de peptiden worden ingebracht in de bloedbaan. In de lichaamsvloeistoffen assembleren de vezels zich. Eiwitten hechten zich op functionele plekken aan de buitenkant, en tegelijk wordt een medicijn geadsorbeerd in de holle kern. Nettoresultaat: de eiwitten dirigeren het medicijn feilloos naar de gewenste plek. Uit dierproeven blijkt dat het immuunsysteem dergelijke vezels met rust laat: de peptideketens zijn kennelijk te kort om als schadelijk te worden herkend.

Het is maar één van de vele mogelijke toepassingen. Stupp suggereert dat je van de vezels ook biosensoren zou kunnen maken. Voorzichtige proefjes geven zelfs aan dat de vezels de neerslag van kalkkristallen kunnen sturen. Dat zou kúnnen betekenen dat je er botweefsel mee kunt laten helen.

Nog vijf jaar

Inmiddels heeft Stupp naar eigen zeggen al meer dan honderd verschillende zelfassemblerende moleculen uitgeprobeerd. Volgens hem hoeft het maar een jaar of vijf te duren voordat de eerste toepassing op de markt komt. Dat moet er dan wel eentje zijn waarvoor geen tijdrovende FDA-toelatingsprocedure nodig is.

Voorlopig is de synthese echter nog veel te duur. De bionanovezelmoleculen zijn nog het gemakkelijkste te maken. “Die komen gewoon uit de machine”, vertelt Stupp, verwijzend naar de apparatuur waarover men binnen de life sciences beschikt om peptiden te rijgen. Dendrorodcoils daarentegen moeten stap voor stap met de hand worden gesynthetiseerd. “Misschien kunnen we oligomeren als bouwstenen gebruiken”, denkt Stupp. “Dan is de lengte niet helemaal perfect, maar wellicht zit je dicht genoeg in de buurt voor de zelfassemblage.”

En DSM? Daar nodigt men iemand als Stupp niet zomaar uit. Na afloop onthult prof. Jos Put, directeur Performance Materials, dat intern hard wordt gewerkt aan een nanotech-kennisplatform. De eerste toepassingen zullen misschien niet zo ambitieus zijn als die van Stupp, maar daar staat tegenover dat die termijn van vijf jaar wel zal worden gehaald. “Iets in de sfeer van oppervlaktechemie”, denkt Put.