Weinigen weten dat de Universiteit Antwerpen beschikt over een van de best geoutilleerde elektronenmicroscopielabs ter wereld. Maar geïnteresseerden weten het EMAT, Electron Microscopy for Materials Science, feilloos te vinden om er te solliciteren als promovendus of postdoc, of om assistentie te vragen bij het eigen onderzoek. Gewoon hoogleraar Sara Bals spreekt van een luxeprobleem: ‛Ik kan selectief zijn en samenwerking zoeken met mensen die een goede visie hebben op wetenschap, en onderzoek doen dat er echt toe doet. Mensen ook waarvan je weet dat de materialen, die ze opsturen, goed gesynthetiseerd en gekarakteriseerd zullen zijn.’

Bals is gespecialiseerd in elektronentomografie: het maken van 3D-opnames met elektronenmicroscopen die inmiddels krachtig genoeg zijn om individuele atomen in beeld te krijgen. ‛Maar wij doen dat niet om een atoom beter te kunnen zien. Wij willen ons stukje van de puzzel bijdragen bij de ontwikkeling van betere katalysatoren, kankermedicijnen en andere dingen die België, Europa of de wereld beter gaan maken. Daarbij moet het onderzoek zijn waar ik een gezonde nieuwsgierigheid naar heb.’

Wat moeten we ons voorstellen bij elektronentomografie?

‛Net als bij optische microscopie blijft elke opname van een elektronenmicroscoop een schaduwbeeld, een 2D-projectie van iets driedimensionaals.’

Bals gebaart met haar handen, alsof ze een schaduwdier maakt. ‛Voor 3D-beelden gebruiken we hetzelfde concept als een medische scanner. Daarbij draait de detector rond de patiënt en neemt beelden op van verschillende kanten, die je met een wiskundig algoritme samenbrengt tot een 3D-beeld van het object. Bij ons draaien de nanodeeltjes op hun dragers in de microscoop.

Ons labo heeft een belangrijke bijdrage geleverd aan het verbeteren van de resolutie. Daarvoor moet je werken met hoogenergetische elektronen, en als je het sample niet meteen kapot wilt schieten kun je maar een beperkt aantal beelden maken. Om toch tot een kwalitatief goede 3D-reconstructie te kunnen komen, nemen onze algoritmes dingen mee die we al weten van het materiaal. Bijvoorbeeld dat het bestaat uit allemaal dezelfde atomen.’

‛Wij kunnen alleen nieuwe technieken ontwikkelen als we weten wat we moeten onderzoeken’

Je derde ERC-grant komt er alweer aan.

‛Ja, een proof of concept grant als aanvulling op de lopende consolidator grant RealNANO. Als drager voor onze samples dienen schijfjes met een koperen rooster, waarop traditioneel een 20 nanometer dikke laag koolstof ligt. Je kunt daar beter grafeen voor gebruiken, maar de kwaliteit van commercieel verkrijgbare grafeengrids valt vaak tegen. Dus wij dachten: wat we zelf doen, doen we beter. We hebben octrooi aangevraagd op een methode om grafeendragers van veel hogere kwaliteit te maken. Met de ERC-grant gaan we kijken of dit idee valoriseerbaar is.’

Je ERC starting grant droeg de titel Colouring Atoms. Hoe kleur je atomen in?

‛Het idee daarachter is chemische karakterisering. Zijn het goud- of zilveratomen, kobalt of ijzer? Met extra detectoren kun je de röntgenstralen registreren die ontstaan als de elektronenbundel interageert met het materiaal. Uit die signalen kun je afleiden wat de posities van de atomen zijn, welke elementen het zijn en wat hun valentie is. Als je die drie parameters hebt, weet je eigenlijk alles over het materiaal en kun je het verband ontsluieren tussen de structuur en de eigenschappen op heel lokaal niveau.’

Daar komt ongetwijfeld een hoop software bij kijken.

‛Ja, het is een combinatie van een heel goed platform van microscopen, en de juiste databewerking. In het labo heb ik een aantal mensen rondlopen die goed kunnen coderen. Ook werk ik samen met Joost Batenburg uit Leiden. Hij is wiskundige, ik ben fysicus. De kracht van die samenwerking is dat we er met een heel open blik naar kijken: hij probeert me uit te leggen wat zijn algoritmes zouden kunnen doen, ik probeer te bedenken hoe we extra informatie kunnen toevoegen, en hij slaagt er dan weer in om dat in een algoritme te bouwen. Het leuke is dat we echt moeite doen om te snappen wat de ander zegt, en het zodanig uit te leggen dat de ander het begrijpt.’

Ik kan me voorstellen dat het kringetje van specialisten, die het nog helemaal kunnen volgen, niet zo groot is.

[Lachend] ‛Ja, maar ik denk dat het ook net de kracht is van ons labo. Dat we al die gespecialiseerde kennis aanwezig hebben en dat het veel verder gaat dan alleen een aantal dure microscopen. In andere labo’s zie je vaak dat ze werken rond een bepaald thema zoals CO₂, met een elektronenmicroscoop als een van de karakteriseringstechnieken. Bij ons is het omgekeerd. De focus ligt echt op elektronenmicroscopie en het bestuderen van een breed gamma aan materialen met altijd dezelfde vraagstelling: wat het verband is tussen structuur en eigenschappen.’

Vaak ben je niet de laatste auteur van je publicaties. Die eer gaat naar de maker van het onderzochte materiaal. Is dat niet frustrerend?

‛Wij kunnen alleen nieuwe technieken ontwikkelen als we weten wat we moeten onderzoeken. Daarvoor hebben we materiaalkundigen nodig. Vaak resulteert het in twee papers. Een met hoge impact waarin een van mijn studenten contributing first author is en ik de eennalaatste auteur, en eentje waarin wij de techniekontwikkeling uitwerken tot in detail. Daarin kunnen mijn studenten de lead nemen en ben ik vaak wél de laatste auteur. Het resultaat belandt in gespecialiseerde tijdschriften zoals Ultramicroscopy die binnen ons vakgebied heel erg worden geapprecieerd, ook al hebben ze een lagere impactfactor. Die publicaties zorgen tevens dat mensen komen vragen of wij ze kunnen helpen met hun nieuwe, interessante materialen. Als wij onze technieken daarop loslaten, levert dat wetenschappelijk veel meer op dan wanneer ik ze zou toepassen op silicium of zoiets. De kans om samen te werken met mensen die echt hoogkwalitatief onderzoek doen, en daarbij een verschil te kunnen maken, dat vind ik wel fijn.’

Momenteel ben je intensief bezig met nanogoudstaafjes.

‛Ja, daar ben ik echt heel enthousiast over. Dat onderzoek doen we samen met de groep van Luis Liz-Marzán, van het CIC biomaGUNE-instituut in San Sebastián. Luis’ specialiteit is het maken van goudnanodeeltjes in diverse vormen: staafjes, driehoekjes, holle structuren…’ Ze haalt een 3D-geprint model tevoorschijn van een nanokooitje, haar geschonken door haar PhD-doctoraatspromotor. ‛Zulke deeltjes vertonen plasmonresonantie. Tik je ze aan met een laser, dan beginnen hun elektronen collectief te bewegen en uiteindelijk komt warmte vrij die je voor van alles kunt gaan gebruiken. Bijvoorbeeld voor hyperthermic cancer treatment: je laat ze linken aan bepaalde cellen, die ze dan kunnen vernietigen. Stop er een medicijn in en sluit ze af met een deklaag die bij opwarming smelt, zodat de inhoud gecontroleerd vrijkomt.

De vorm van zo’n deeltje bepaalt de optimale golflengte van de laser. Onze rol is om die vorm te achterhalen: is ze uniform en komt ze overeen met de verwachtingen? Zo willen we tevens helpen bij het begrijpen van de chemische processen die de groei van zulke vormen veroorzaken.’

‘Als je die drie parameters hebt, weet je eigenlijk alles over het materiaal’

Hoe ben je ooit in dit veld beland?

‛Mijn doctoraat ging over supergeleiding. Toen ik daarna naar Berkeley mocht als postdoc, wilde mijn promotor graag dat ik daar een bepaalde techniek zou bestuderen. Maar op de eerste dag zei mijn begeleider al: we zullen je dat best wel leren, maar wat ik echt wil is dat jij elektronentomografie gaat doen. Binnen de biologie bestudeerde men daar toen al eiwitten mee. Maar pas begin deze eeuw kwamen elektronenmicroscopen beschikbaar waarmee je kon gaan denken aan tomografie met kristallijne materialen uit zwaardere atomen. In Berkeley stond zo’n toestel. Maar we moesten nog wel houders ontwikkelen waarmee je je materiaal onder de bundel kon draaien van plus naar min 90 graden. Ik heb die onderzoekslijn mede opgestart en eenmaal terug in Antwerpen dacht ik: dit is wat ik hier ook verder wil ontwikkelen. Die eerste ERC heeft daarna gezorgd dat het echt mijn ding is geworden.’

Je bent geboren in Antwerpen en sindsdien ben je er maar even weggeweest.

‛Ik denk dat Vlamingen over het algemeen redelijk honkvast zijn. Ik heb een tijdje getwijfeld of ik in Berkeley wou blijven en later hebben wel meer labo’s gevraagd of ik geen interesse had. Maar mijn familie is natuurlijk hier. En ik zou ook niet weten waarom ik ergens anders naartoe zou moeten gaan als ik hier het platform heb, en collega’s met wie ik een heel goede band heb en die ik blindelings kan vertrouwen.’

Had je het ooit allemaal kunnen voorzien?

‛Onlangs heb ik per ongeluk ja gezegd op een verzoek om een lezing te geven over ”how to start an academic career”. Ik vroeg me af wat ik moest vertellen, want ik heb nooit echt een plan gehad. Van collega’s begreep ik hetzelfde: niemand had een plan. En dat is niet iets typisch Antwerps want vanuit het buitenland hoor ik hetzelfde geluid. Eigenlijk moet je gewoon beginnen, denk ik. Zolang het leuk is, ga je verder en zolang je iets leuk vindt, kan je er ook veel tijd in stoppen. Als het niet echt is wat je wilt doen, dan wordt het een belasting. Ik heb wel keihard geknokt en ik wil niet zeggen dat ik elke dag fluitend rondloop, want het is ook wel echt zwaar. Ik denk dat je het niet volhoudt als het niet je passie is. Maar het scheelt als je dat kunt compenseren met een fijn gezin, een fijne familie en leuke vrienden.’