Nanotechnologie - Fusie-energie, de zon op aarde

dossier
Nanotechnologie
Nanotechnologie roept bij veel mensen beelden
op van een wereld waarin minuscule robotjes door
onze aderen marcheren en ons gezonder en
slimmer maken. Toch is nanotechnologie niet
alleen sciencefiction.
In dit dossier neemt New Scientist je mee naar
de nanotechnieken die nu al bestaan of die
wetenschappers in de zeer nabije toekomst hopen
toe te passen. Zo vertellen we over nanofilters die
in een woestijn water uit de lucht kunnen halen
(pag. 41) en over flexibele beeldschermen die je
kunt oprollen en in je binnenzak steken (pag. 45).
Bovendien staan we uitgebreid stil bij de pogingen
om met nanotechnologie de prestaties van
zonnecellen drastisch te ver­beteren (pag. 42) en
gaan we dieper in op de risico’s die nanotechnologie
met zich mee kan brengen. Zijn nanomaterialen het
nieuwe asbest? Het antwoord lees je op pagina 46.
We trappen dit dossier echter af met een
onderwerp dat wel degelijk doet denken aan een
sciencefictionverhaal: nanomedicijnen die zelf
ziektes kunnen opsporen, binnendringen en van
binnenuit vernietigen.
XZhong Lin Wang / Xubong Wang
september 2013 | New Scientist | 35
dossier
In de koelkast
Scandinavische supermarkten maken dankbaar gebruik
van nanotechnologie. In
plaats van een houdbaarheidsdatum, zit daar een
sensor op verpakt eten. In
die sensor zitten nanodeeltjes van organische verfstoffen die reageren op de
gassamenstelling in de verpakking. Zodra eten bederft
zie je dat aan de sensor,
want de deeltjes veranderen van kleur. Daardoor hoef
je veel minder voedsel onnodig weg te gooien.
Levensmiddelentechnoloog
Karin Schroën, verbonden
aan de universiteit van Wageningen, zoekt ook manieren om nanotechnologie te
gebruiken in de voedselindustrie. Zij richt zich op het
maken van emulsies: mengsels van water en olie.
Schroën onderzoekt met
modelsystemen op micro- en
nanoschaal hoe je de oliedruppeltjes in zo’n emulsie
zo klein en gelijkmatig mogelijk krijgt. Met extra kleine
oliedruppeltjes blijft een
emulsie namelijk langer goed
voordat hij ontmengt. Melkproducenten verlengen
daarom al langer de fysische
stabiliteit van melk door de
aanwezige oliedruppeltjes te
verkleinen. ‘Wat we ontdekken heeft misschien niet
alleen voordelen voor voedsel, maar ook voor verf en
bijvoorbeeld crèmes,’ verwacht Schroën. –ME
Holst Centre
Genezen van
de nanohype
Nanomedicijnen leken het perfecte geneesmiddel.
Minuscule bolletjes zouden ziektes zelf opsporen,
binnendringen en van binnenuit vernietigen. Nu
wordt het wel eens tijd om nanomedicijnen aan het
werk te zien. Maar waar blijven ze?
Door Anouck Vrouwe
J
e zou ze lomp kunnen noemen, de
medicijnen in ons nachtkastje. Alsof
je met een kanon op een mug schiet.
Slechts een deel van de dosis haalt het
doel – de ontstoken teen, de tumor in de
milt. De rest van het medicijn wordt ongebruikt afgebroken en afgevoerd. In het
beste geval is dat deel nutteloos geweest.
Soms is het ‘overtollige’ deel echter schadelijk, zoals bij chemotherapie, waar de
medicijnen ook gezonde cellen omleggen.
Een jaar of tien geleden kwam de wetenschap met een goed idee om dat probleem aan te pakken. Dankzij de snelle
opkomst van nanotechnologie en biotechnologie zou het op korte termijn mogelijk moeten zijn om medicijnen precies
op de plaats van bestemming te bezorgen. De strategie was het medicijn in te
pakken in ‘slimme’ nanobolletjes die
exact het juiste lichaamsdeel weten te
vinden. Daar aangekomen zou het bolletje opengaan en het medicijn af leveren.
Nanomiddelen zouden ook het opsporen
van tumoren een stuk eenvoudiger maken. Nanodeeltjes, bekleed met antilicha-
men, zouden zich koppelen aan ontspoorde cellen en dan een signaal afgeven dat
met een scan eenvoudig is op te sporen.
Onderzoekers gingen aan de slag en
zetten veelbelovende nanodeeltjes in elkaar die een werkzame stof konden vasthouden of opnemen. Aanvankelijk verliepen veel onderzoeken voorspoedig. De
nanodeeltjes herkenden zieke cellen en
‘Het lijstje met de
nanomedicijnen die
daadwerkelijk op de
markt zijn, is kort’
bonden eraan – precies volgens het boekje. Dat optimisme leidde tot extreem
hooggespannen verwachtingen, die niets
minder dan een revolutie voor de geneeskunde beloofden.
Na een aantal jaren hoopvol pionieren
blijft het echter opvallend stil en lijkt de
hype nanomedicijnen vervlogen. Wat is
Het Amerikaanse bedrijf Celsion werkt aan hittegevoelige nanobolletjes,
maar heeft vooralsnog weinig succes geboekt.
Celsion
in die tijd bereikt? Heel veel ideeën en
onderzoeksrapporten, zo blijkt, maar ook
heel weinig medicijnen. ‘De lijst met
middelen waaraan wordt gewerkt, is
reusachtig’, zegt Holger Grüll, onderzoeker bij Philips Healthcare en hoogleraar
aan de Technische Universiteit in Eindhoven. ‘Het lijstje met nanomedicijnen die
daadwerkelijk op de markt zijn, is kort.’
Hoe kan een vakgebied dat zo veelbelovend leek, zo weinig hebben opgeleverd?
Is het stilte voor de storm?
Het eerste nanomedicijn, genaamd
Doxil, kwam al voor de nanohype op de
markt, in 1995. Het bestaat uit een hol
vetbolletje met daarin het kankermedicijn doxorubicine. Doxorubicine heeft
vervelende bijwerkingen want het dringt
door tot in de hartspier, waar het hartfalen kan veroorzaken. Dat wordt voorkomen door de moleculen van het medicijn
te verpakken in nanobolletjes van ongeveer 90 nanometer. In één bolletje passen
15.000 moleculen van het medicijn. De
bolletjes zijn zo groot dat ze de bloedvaten niet uitkomen, behalve in een tumor.
Goed doorbloedde tumoren hebben namelijk gaten in hun vaten, omdat ze abnormaal snel groeien. Dankzij die ‘lek-
kende vaten’ kan Doxil de tumor
binnendringen. Andere nanomedicijnen
op de markt gebruiken hetzelfde principe, al verschilt het materiaal van het bolletje per medicijn.
Doxil is echter geen wondermiddel.
Het medicijn dringt langzaam door het
bolletje heen. Dat komt de werking niet
ten goede; om een tumor aan te vallen is
één keer een hoge dosis effectiever dan
langere tijd een beetje. Bovendien blijkt
het menselijk afweersysteem de bolletjes
vaak op te ruimen voor ze hun werk kunnen doen. Het nanomiddel werkt daardoor niet beter dan het oorspronkelijke
medicijn, toen het nog niet was ingepakt
in nanobolletjes. Grüll: ‘Doxil is toegelaten omdat het minder bijwerkingen
heeft,’ zegt Grüll, ‘niet omdat het beter
werkt.’
Slotjes
Nanodeeltjes die pas opengaan zodra ze
hun doel bereiken, zijn nog niet op de
markt gebracht. Deze ‘slimme’ nanodragers hebben een ‘slotje’, dat de tumor als
het ware met een sleutel openknipt. Een
veelgehoord idee is een zuurslot. Grüll:
‘Tumoren zijn wat zuurder dan normaal.
september 2013 | New Scientist | 37
dossier
90
nanometer is de omvang van het
nanobolletje waar het medicijn
Doxil in verpakt wordt
Nanobolletjes lijken het ideale bezorgsysteem om medicijnen
op precies de juiste plek in het lichaam te krijgen.
JM Morachis
Je zou de bolletjes dus gevoelig kunnen
maken voor zuur, waardoor ze alleen in
tumoren openen. Althans, dat is het
idee.’ De praktijk is volgens Grüll echter
weerbarstig. ‘Tumoren blijken toch niet
zo heel veel zuurder dan de rest van het
lichaam.’
Het gevolg is dat de ‘sleutel’ van de tumor, de zuurgraad, niet uniek genoeg is.
De bolletjes gaan dan niet goed open of
ze openen zich op allerlei andere plekken
in het lichaam. Voor andere ‘slotjes’ gelden soortgelijke problemen. Grüll: ‘Ik
word er wel eens moe van. De scheikundigen publiceren als een gek hierover. Ze
spelen met antilichamen, met de samenstelling van de bolletjes, ze voegen van
alles toe. Maar het blijft moeilijk om tot
een echte toepassing te komen.’
Grüll gooit het zelf over een andere
boeg, en werkt aan warmtegevoelige
nanobolletjes. Die barsten open als ze het
te warm krijgen, iets boven de 41°C. De
onderzoeker vult ze met een medicijn en
een contrastmiddel dat met MRI-scanners
gemakkelijk te detecteren is. Door de tumor te verhitten tot 42°C barsten de
nanobolletjes daar open en komt de inhoud vrij. Grüll: ‘Dankzij het contrastmiddel kun je met een scanner volgen
wat er gebeurt. Hoe meer bolletjes in de
38 | New Scientist | september 2013
tumor open gaan, hoe meer contrastmiddel er vrijkomt. Je kunt dus zien of de
bolletjes de tumor wel goed binnendringen. De arts kan dan de dosering in de
gaten houden, of andere medicijnen gebruiken als de tumor niet ‘lek’ genoeg is.’
Het onderzoek van Grüll bevindt zich
inmiddels in de proefdierfase. ‘Dankzij de
verhitting brengen we een hogere dosis
van het medicijn de tumor in. In een recent onderzoek hebben we laten zien dat
de tumoren daadwerkelijk trager groeien.’
Dat klinkt goed, maar Grüll weet dat
de weg maar goedwerkende nanomedicijnen nog lang is. In juni publiceerde het
bedrijf Celsion, dat vergelijkbare hittegevoelige nanobolletjes maakt, nog teleurstellende resultaten voor de behandeling
van leverkanker. Grüll: ‘Zij verhitten radiofrequent. We denken dat onze kansen
met gefocusseerd ultrageluid beter zijn.
Daar kan je gerichter mee verhitten.’
De praktijk is behoorlijk weerbarstig,
beaamt ook biomedicus Klaas Nicolay van
de Technische Universiteit Eindhoven.
‘Een mooi concept kan in de praktijk niets
waard zijn’, aldus Nicolay. In de afgelopen
jaren zijn volgens hem veel wilde en
mooie concepten bedacht, die later toch
tegenvielen. ‘Het onderzoeksveld staat nu
weer met beide benen op de grond.’
Volgens Nicolay moeten nano-medici nu
bekijken welke concepten waardevol zijn
en daadwerkelijk tot klinische toepassingen kunnen leiden. Nicolay: ‘Tien jaar
geleden dachten we in ons vakgebied dat
we hele gerichte contrastmiddelen zouden ontwikkelen. Daar kan je op de universiteit wel onderzoek aan doen, maar
de farmaceutische wereld zal het voorlopig niet doorontwikkelen. Zij hebben een
economische wet, die zegt dat een middel
voor diagnostische scans zowel goedkoop
moet zijn als breed inzetbaar. En dit soort
antilichaam-nanodeeltjes zijn niet zo eenvoudig te maken.’
Simpel
University of Nebraska
Onderzoeker Twan Lammers – verbonden
aan de universiteiten in Aken, Utrecht en
Enschede – is het helemaal met Nicolay
eens. Hij heeft net een ‘best wel kritisch
stuk’ geschreven voor het International
Journal of Pharmaceutics, waarin hij voor
meer realiteitszin bij zijn vakgenoten
pleit. ‘Vaak kun je op je vingers natellen
dat een idee het niet gaat halen’, zegt
Lammers. Een reden kan zijn dat de productie te complex is om op te schalen, of
de onderzoeker gebruikt stoffen die farmaceuten vanwege de risico’s vermijden.
Of een nanodeeltje is domweg te groot om
september 2013 | New Scientist | 39
dossier
Water uit lucht
Onderzoeker Twan Lammers werkt aan methoden die tumoren
zichbaar moeten maken door middel van nanobolletjes.
RWTH / Aachen University
medicijnen te kunnen af leveren. De verbazing in Lammers stem is hoorbaar als
hij vertelt over dragers van wel 500 nanometer. ‘Dan schrijven die wetenschappers
enthousiast dat het een mogelijk oplossing voor kanker is. Ze vergeten dat de
gaten in de bloedvaten van de tumor vaak
maximaal 100 tot 200 nanometer groot
zijn. Bovendien voert het immuunsysteem alle intraveneus toegediende deeltjes die duidelijk groter zijn dan 100 nanometer razendsnel af naar de lever en de
milt. Zouden die mensen dat niet weten?’
Lammers noemt het in zijn artikel nanomedicijn-sciencefiction. Hij waarschuwt
dat de reputatie van het onderzoeksveld
erdoor in gevaar komt, omdat het niet
kan leveren wat het belooft. Begin simpel,
adviseert Lammers, door eenvoudige
nanosystemen te ontwikkelen die breed
inzetbaar zijn. Hij denkt aan nanobolletjes
die meerdere geneesmiddelen bevatten,
zodat ze tegelijkertijd en in de juiste verhouding bij de tumor aankomen.
Ook ziet hij heil in de aanpak van
Grüll, waarbij contrastmiddel wordt toegevoegd aan de bolletjes. ‘Dan kun je ten
minste zien of de tumor überhaupt
wordt bereikt. Zo niet, dan kun je patiënten een verdere behandeling met nanomedicijnen besparen.’
Misschien is het afgenomen enthousiasme voor nanomedicijnen helemaal
geen slecht teken. Tot die conclusie
40 | New Scientist | september 2013
kwam de Amerikaanse hoogleraar farmacologie Rudy Juliano afgelopen maart in
vakblad Nature Reviews. Volgens hem volgt
het onderzoek naar nanomedicijnen gewoon het pad van alle nieuwe biomedische technologieën. De eerste stap zijn
opwindende onderzoeksresultaten, die
zorgen voor enthousiasme op universiteiten en in het bedrijfsleven. Dan duiken er
problemen op en worden de grenzen van
de nieuwe technologie duidelijk. Het oorspronkelijke enthousiasme neemt af, en
veel mensen haken af. Een paar enthousiastelingen zetten door.
Volwassen
Juliano verwacht wel degelijk dat nanomedicijnen een belangrijke rol gaan spelen in de gezondheidszorg, maar waarschuwt net als Lammers om nu de hand
niet te overspelen en geen grote beloften
te doen. De nanogeneeskunde is dus volwassen aan het worden. De grenzen worden zichtbaar. Wie als producent zijn
middel in de kliniek wil krijgen, moet
aan een stevige lijst eisen voldoen. Het
middel moet veilig zijn, maar ook effectief, simpel, breed inzetbaar en eenvoudig – dus niet te duur – te maken.
Ook binnen die grenzen zijn er altijd
nog enthousiastelingen die wat moois
willen maken, zoals nanomedicijn-ondernemer Cristianne Rijcken. ‘Een reality
check voor het onderzoeksveld? Die heb
Binnenkort hoeven mogelijk
zelfs woestijnbewoners niet
meer bang te zijn voor watergebrek. Het Amerikaanse
bedrijf NBD Nano wil in 2014
een zelfvullende waterfles
op de markt brengen. De fles
heeft een bedekking van
nanodeeltjes die ervoor zorgen dat waterdamp uit de
lucht condenseert en naar
binnen stroomt. Het ontwerp
is geïnspireerd op de Namibische woestijnkever die met
zijn schild waterdamp opvangt en omzet in vloeibaar
water.
Een onderzoeksteam van de
Technische Universiteit
Eindhoven ontwierp dit jaar
op soortgelijke wijze katoen
dat water uit mistige lucht
vangt.
Onderzoeker Bert de With
denkt dat we binnen enkele
jaren op grote schaal water
uit de lucht halen. ‘Het enige
probleem is dat je het water
pas bij een omgevingstemperatuur van ongeveer 32°C
kunt verkrijgen. We proberen
nu die temperatuurdrempel
te verlagen’, zegt De With.
Hij verwacht dat bedrijven
het katoen in eerste instantie zullen gebruiken in waterabsorberende sportkleding en luchtbevochtigingssystemen. De With: ‘In de
toekomst kan ons katoen
wellicht droge gebieden
voorzien van water, bijvoorbeeld door landbouwgrond
te bevochtigen.’ –YF
shutterstock
100 tot 200
nanometer is de maximale omvang van
de gaten in bloedvaten van een tumor
ik al gehad tijdens mijn promotie-onderzoek.’ Ze vertelt dat ze prachtige dingen
maakte, die in labbuisjes prima werkten,
maar in de bloedbaan steeds weer uit elkaar klapten. Juist dankzij die ervaringen
denkt ze nu goed te kunnen inschatten
dat de nanodrager waar zij aan werkt,
wel goede kans maakt.
Rijcken richtte na haar promotie het
bedrijf Cristal Therapeutics op. Zij vult
geen bolletjes, maar vervlecht het medicijn of contrastmiddel met het nanodeeltje. Zo ontstaat een molecuul van 30 tot
70 nanometer groot, dat effectief en goedkoop op grotere schaal te produceren is.
In het lichaam lossen de bindingen in het
middel op, waardoor het medicijn vrijkomt. Rijckens bedrijf heeft net een financiële injectie binnengehaald bij investeringsfonds Nedermaas en het
Innovatiefonds van de provincie Limburg.
Daardoor kan het bedrijf nu onderzoeken
of hun nanodrager overleeft in de harde
realiteit; de eerste klinische studie is volgend jaar.
Terug naar de basis, het gezicht naar
de toekomst en stapje voor stapje vooruit
– zo omschrijft Lammers de toekomst
van nanogeneeskunde. En maak je geen
illusie. ‘Neem kanker. Daar hebben we
allerlei behandelingen voor, zoals chemo,
bestralen en opereren. Daar komen nu
wat nanomedicijnen bij. Ze zijn waardevol, maar het is geen wondermiddel.’
september 2013 | New Scientist | 41
dossier
Zonne-energie
in een nanodop
Gekkotape
Zonlicht is de ideale energiebron, maar met de prestaties van
collectoren wil het maar niet vlotten. Hulp komt nu uit hoek
van de nanotechnologie. Kunnen nanowetenschappers zonneenergie eindelijk grootschalig laten doorbreken?
Met nanotechnologie moet het moet zijn om flexibele zonnepanelen
te maken die zich naar de vorm van dakpannen buigen.
Shutterstock
Door Ans Hekkenberg
A
shutterstock
l decennialang is duidelijk dat
zonne-energie de beste kaarten in
handen heeft om duurzame energie te leveren. Heb je eenmaal een zonnecollector, dan kun je gratis energie aftappen van de grootste energiebron in
ons zonnestelsel. De voordelen boven andere energiebronnen zijn evident. Zonnecollectoren produceren geen verbrandingsgassen en hebben minder grote
gevolgen voor het landschap dan windturbines of waterkrachtcentrales.
Op papier is er voor iedereen voldoende
zonne-energie. Elke minuut bereikt genoeg zonlicht de aarde om de hele wereldbevolking een week van energie te
voorzien. Toch teert de wereld nog vooral
op fossiele brandstoffen en komt het opwekken van zonne-energie nog amper
van de grond. Twee jaar geleden kwam
slechts 0,1 procent van de Nederlandse
energie uit zonnecellen. Dat zonne-energie maar niet wil doorbreken komt door
twee problemen waar wetenschappers al
jaren mee worstelen: zonnecellen hebben
een te laag rendement en ze zijn te duur
om te maken.
Nanotechnologie kan die taaie problemen oplossen, voorspelt Albert Polman,
bestuurslid van NanoNextNL, een Nederlands programma voor nano-onderzoek.
Daarnaast is hij verbonden aan het onderzoeksinstituut AMOLF in Amsterdam,
waar wetenschappers zich bezighouden
met nanofotonica: het opvangen van
licht op de nanometerschaal. Polman:
‘Veertig jaar lang zocht iedereen naar
manieren om het materiaal van de zonnecel te verbeteren, maar niemand dacht
Elke minuut bereikt
genoeg zonlicht de
aarde om de hele
wereld een week van
energie te voorzien
eraan te onderzoeken hoe je het licht
slimmer invangt op nanoschaal. Wij zijn
in dat gat gesprongen.’ Het AMOLF-team
bestudeert hoe licht zich gedraagt op een
schaal van slechts een paar miljardsten
van een meter – tienduizend keer kleiner
dan de dikte van een menselijke haar.
Polman heeft een duidelijk doel voor
ogen: een goedkopere zonnecel die meer
licht invangt. ‘Huidige zonnepanelen zijn
gemaakt van siliciumtegeltjes. Dat is een
heel duur basismateriaal, dus als we de
tegels dunner maken, zijn ze ook een
stuk goedkoper’, aldus de onderzoeker.
‘Het probleem is alleen dat bij te dunne
tegels het zonlicht er dwars doorheen
gaat. We lossen dat op door het oppervlak van het zonnepaneel te bedekken
met nanostructuren.’
Drukpers
De natuurkundigen plaatsen bijvoorbeeld
minuscule cilinders met een doorsnede
van slechts 200 nanometer op het paneeloppervlak. Wanneer een lichtgolf op zo’n
cilinder valt, is die ingesloten. Dat komt
doordat een lichtgolf een bepaalde golflengte heeft. De onderzoekers maken de
cilinder even groot als die golf lengte.
Omdat de cilinder aan de binnenzijde ref lecteert, kan het licht alleen nog ontsnappen in de richting van de zonnecel.
Zodra het licht de zonnecel bereikt, zal
het iets van richting veranderen. Bij een
nanocilinder van het juiste materiaal, zoals titaanoxide, breekt het licht heel
schuin de zonnecel in. Daardoor legt het
licht een veel langere weg af door de cel
dan wanneer het haaks de cel doorreist.
De cel vangt daardoor meer licht op.
‘Je kunt ook helemaal afwijken van de
traditionele zonnecel’, zegt Polman. On-
derzoekers bij AMOLF maken bijvoorbeeld buigzame zonnecellen van nanodraden. De zonnecel bestaat dan volledig
uit deze dunne draden, die rechtop naast
elkaar staan. ‘De nanodraden zijn gemaakt van diverse materialen, die elk
goed zijn in het opvangen van een specifieke lichtkleur. Een zonnecel die de verschillende materialen combineert, vangt
alle kleuren zonlicht op.’ Een traditionele
zonnecel kan ook meerdere kleuren licht
opvangen, maar dan moet de cel wel uit
diverse materiaallagen bestaan. Dat
maakt dit soort zonnecellen duur, terwijl
de nanodraadcel juist lage productiekosten heeft.
Over de vraag welk type zonnecel de
toekomst heeft, is Polman heel duidelijk.
‘Allebei. We willen zonnecellen op verschillende manieren gebruiken. Sommige
panelen moeten f lexibel zijn, zodat ze
zich bijvoorbeeld naar de vorm van dakpannen buigen.’ Het voordeel is dat zulke
buigzame zonnecellen niet opvallen in het
straatbeeld. ‘Andere panelen moeten juist
zo efficiënt mogelijk zijn, bijvoorbeeld
toekomstige zonnecellen op het dak van
een elektrische auto. Die panelen hebben
maar een beperkt oppervlak. Je moet dus
met een kleine hoeveelheid zonnecellen
genoeg energie opwekken om te blijven
rijden.’
Droom je ervan om net zoals
Fred Astaire en Lionel Richie
te dansen op het plafond?
Wellicht is dat binnenkort
mogelijk met gekko-tape
onder je schoenzolen. Dit
supersterke kleefmiddel is
geïnspireerd op de gekko,
een hagedis die moeiteloos
de steilste rotswanden beklimt dankzij miljoenen minuscule haartjes op zijn poo
tjes. De haartjes zijn zo klein
dat ze op atomaire schaal
worden aangetrokken door
de ondergrond. Die kracht,
de zogeheten vanderwaalskracht, geeft de gekko zijn
enorme kleefkracht.
In 2003 creëerde de Nederlandse Nobelprijswinnaar
André Geim als eerste een
eenvoudige vorm van gekkotape door de piepkleine
haartjes na te maken met
nanotechnieken. Inmiddels
kunnen kleine robots met
het kleefmiddel tegen gladde muren opklimmen.
Marleen Kamperman, onderzoeker aan de universiteit
van Wageningen, probeert
het product verder te verbeteren. ‘Gekkotape zal gewoon plakband niet snel
vervangen’, zegt Kamperman. ‘Maar het kan wel van
pas komen in specifieke toepassingen. Chirurgen kunnen
bij darmoperaties bijvoorbeeld robotjes in je darmen
laten klimmen. Het voordeel
van gekkotape is dat de
kleefkracht volledig afhangt
van de stand van de haartjes.
Door de haartjes te buigen,
kun je vastzittende tape losmaken en hergebruiken.’ –YF
dossier
Flexibele schermen
Stuiteren met licht
Natuurkundigen willen op zonnecellen cilinders plaatsen met een doorsnede van
200 nanometer. Lichtgolven breken in de cilinders zodanig dat ze een veel langere
weg door de zonnecel afleggen. De cel vangt daardoor meer licht op.
13%
is op dit moment het
rendement van
nanozonnecellen
De verschillende technieken hebben
vooralsnog hun eigen specialiteit – nanocilinders op een traditionele zonnecel
maken het materiaal bijvoorbeeld niet
buigzamer, maar wel efficiënter. Het zoeken is naar de gouden combinatie.
Omdat zijn onderzoek nog in volle
gang is, kan Polman niet zeggen hoe efficiënt zijn nanozonnecellen uiteindelijk
zullen zijn. De huidige onderzoeksresultaten noemt hij alvast wel veelbelovend.
‘Het rendement van gewone zonnecellen
is hoogstens 20 procent. Als we nanotechnologie toepassen kan het 30 procent
worden, of misschien zelfs wel 50 procent.’ De onderzoeker voorziet echter dat
een zonnecel met het hoogste rendement
wellicht niet het gemakkelijkst te produceren is. Polman: ‘We zetten daarom in
op technieken die het rendement zo hoog
mogelijk maken, maar waarmee we wel
op een grote schaal zonnecellen kunnen
produceren.’
Hoewel zonnecellen met nanocilinders
nog in de kinderschoenen staan, is het
niet moeilijk voor te stellen dat ze ooit op
grote schaal uit een fabriek rollen. De
nanozonnecellen zijn te maken met een
procedé dat soft imprinting heet. De kleine
cilinders zijn dan aangebracht in een rubberen stempel. Wanneer de stempel met
44 | New Scientist | september 2013
de juiste druk over de zonnecel rolt,
duwt hij het cilinderpatroon in de cel.
Polman vergelijkt soft imprinting met de
rollende persen van krantendrukkerijen.
Afgelopen winter berekende hij met zijn
studenten hoe lang het met soft imprinting
duurt om zonnecellen te maken die over
tien jaar de hele wereldbevolking van
‘Nanotechnologie
kan het rendement
van zonnecellen
verhogen van 20
naar 30 procent’
energie voorzien. Het antwoord was verassend: als zonnecellen daadwerkelijk zo
snel als kranten uit de drukker rollen,
hoef je maar één soft imprinting-fabriek te
bouwen. Zo’n productiesnelheid is haalbaar – de uitdaging ligt dus niet zozeer
bij de massaproductie, als wel bij het maken van de allerbeste zonnecel voordat de
persen aangaan.
Katalysator
Terwijl Polman zoekt naar de ultieme
zonnecel, werkt medefysicus Richard van
de Sanden aan de opslag van die energie.
Want hoewel het mooi is als een zonnecel veel elektriciteit levert, kent Nederland niet veel zonnige dagen. Daarom
moeten we de zonne-energie van een
stralende zomerdag ook op een grijze
herfstdag kunnen gebruiken. Met dat
doel voor ogen werkt Van de Sanden, directeur van het Dutch Institute For Fundamental Energy Research (DIFFER), aan
fotoelektrochemische cellen die zonne-energie in brandstof omzetten.
Een fotoelektrochemische cel is een
oude bekende in de wetenschap. In feite
is het een apparaat dat, onder invloed
van licht, water omzet in waterstof en
zuurstof.
In de cel zitten twee elektroden: een
anode en een kathode. Wanneer zonlicht een pulsje energie geeft aan de kathode, verliest hij een elektron. Het water in de cel zal dat elektron opnemen,
en verandert daardoor in negatief geladen deeltjes. De anode eist juist een elektron van de vloeistof op, waardoor watermoleculen in positief geladen deeltjes
veranderen. De positieve en negatieve
deeltjes hercombineren tot waterstof en
zuurstof. Door een katalysator toe te
voegen, gebeuren deze reacties op hoog
tempo. Zo produceert de cel effectief waterstofgas, dat we kunnen gebruiken als
brandstof. De techniek werkt in de praktijk echter niet goed genoeg om zonne-energie mee te oogsten. Nanotechnologie kan die problemen verhelpen,
meent Van de Sanden. ‘Sommige stoffen
werken bijvoorbeeld goed als katalysator, maar geleiden slecht elektriciteit.’
Daardoor kunnen de elektronen minder
gemakkelijk door het water naar de
elektroden bewegen, en zullen minder
reacties optreden. ‘Maar met nanotechnologie kunnen we de afstand tussen de
deeltjes van de katalysator kleiner maken’, aldus de onderzoeker. De elektronen springen dan gemakkelijker van een
deeltje naar het volgende, waardoor de
elektrische geleiding geen probleem
meer is.
Hoewel de twee Nederlandse nanopioniers geen lab delen, zien ze allebei een
mooie toekomst in de combinatie van
hun werk. Terwijl Polman het zonlicht
efficiënt opvangt, kan Van de Sanden
dat licht optimaal benutten voor brandstofproductie.
Toch is lang niet iedereen ervan overtuigd dat nanotechnologie gaat zorgen
De laatste verkeersinformatie
is binnenkort wellicht op je
autoruit te lezen. Nanotechnologen maken nieuwe soorten displays met OLED’s (Organic Light Emitting Diodes),
opgestapelde laagjes organisch materiaal van enkele
honderden nanometers dik.
Die laagjes kunnen doorzichtig en buigzaam zijn en geven
licht als ze onder stroom
staan.
OLED’s zitten al enkele jaren
in displays van sommige mobiele telefoons. Peter Bobbert, onderzoeker aan de
Technische Universiteit
Eindhoven, verwacht dat
televisieschermen binnen
twee jaar ook OLED’s bevatten. ‘Bij schermen met
OLED’s heb je geen permanent achtergrondlicht nodig
zoals bij de huidige
LCD-schermen’, zegt Bobbert. ‘Dat zorgt voor een lager energieverbruik, en bovendien zijn zwarte kleuren
dan echt zwart en niet donkergrijs zoals nu.’
Op langere termijn kunnen
OLED’s volgens Bobbert ook
als verlichtingsmiddel dienen. ‘Met OLED’s kun je lichtbronnen maken van allerlei
soorten materiaal, bijvoorbeeld glas of plastic. Er zijn al
OLED-lampen te koop, maar
die zijn nu nog te duur om op
grote schaal aan de man te
brengen’, aldus Bobbert. –YF
voor een definitieve doorbraak van zonnecollectoren. Een aantal jaren geleden
publiceerde milieuorganisatie Friends of
the Earth (FoE) een spraakmakend rapport waarin staat dat nanotechnologie
vooral energie kost. Zo is de gemiddelde
levensduur van de nanozonnecel 10 tot
15 jaar korter dan die van de gewone panelen. Ook kost de productie van een
nanozonnecel meer energie. Tot slot ligt
het rendement van de nanocel nog
steeds lager ligt dan dat van de oude
zonnecellen – met een gemiddelde van
13 procent tegenover 20 procent.
Wereldwijd reageerden deskundigen,
waaronder technologiepioniers, wetenschappers en bedrijfsleiders, fel op het
rapport. Zij vonden het oordeel van FoE
oneerlijk. Ze wezen erop dat alle innovaties tijd nodig hebben voordat ze de
‘oude’ technieken kunnen overtreffen.
Polan en Van de Sanden geven toe dat
nanozonnecellen nog een lange weg te
gaan hebben. Maar zodra de nanotoepassingen het rendement van de zonnecel
daadwerkelijk opkrikken, zal volgens de
twee Nederlandse experts het energiespeelveld voorgoed veranderen –
en kan het aftappen van de energie die
de zon ons gratis schenkt, pas echt
beginnen.
september 2013 | New Scientist | 45
dossier
Superfilters
Gevaar in
kleine hoekjes
De industrie gebruikt naar hartenlust nanodeeltjes, maar
veel daarvan zijn nog nauwelijks onderzocht. Sommige
nanodeeltjes kunnen zelfs kanker veroorzaken. Onderzoekers
brengen de gevaren van het wondermateriaal in kaart.
Nanodeeltjes lijken soms sterk op asbest. De vraag is
of ze ook net zo schadelijk kunnen zijn.
Wikimedia Commons
Door George van Hal
Z
e zijn piepklein en hebben fantastische eigenschappen. De nieuwe
nanodeeltjes die technologen ontwikkelen om bijvoorbeeld de lak op je
auto krasvast te maken of om hittebestendige coatings op ruimtevaarttuigen
te ontwikkelen, beloven van alles. Toch
zijn de gevaren voor mens en milieu nog
grotendeels onbekend.
Sommige nanodeeltjes banen zich
moeiteloos een weg door je huid en celwanden. Zodoende kunnen ze overal in
je lichaam terechtkomen. Ook in de vrije
natuur laten deze deeltjes zich niet tegenhouden. Gekoppeld aan in water zwevend materiaal dobberen ze door onze
rivieren en oceanen, terwijl weer andere
deeltjes hangend in de lucht iedere plek
op aarde kunnen bereiken.
In fabrieken worden in Nederland bovendien steeds meer werknemers aan
nanodeeltjes blootgesteld, terwijl de langetermijngevolgen daarvan nog altijd onduidelijk zijn.
De afgelopen jaren werd van sommige
deeltjes voor het eerst vastgesteld hoe
risicovol ze zijn en de conclusies zijn
niet mals. Uit onderzoek blijkt onder
46 | New Scientist | september 2013
meer dat nanodeeltjes die qua grootte
en vorm sterk op asbestvezels lijken dezelfde kankerverwekkende eigenschappen hebben.
Materiaalkundigen die nieuwe nanodeeltjes ontwikkelen slaan daarom nu
voor het eerst de handen ineen met onderzoekers die bekend zijn met de risicoanalyse van chemische stoffen. Door
verregaand samen te werken hopen zij
Op dit moment zijn al
veel nanodeeltjes op
de markt die nooit op
veiligheid getoetst zijn
de gevaren van nieuwe nanodeeltjes voor
mens en milieu al tijdens de ontwerpfase
tot een minimum te beperken.
‘Dat wij de risicoanalyse op die manier
aanpakken is internationaal uniek’, zegt
Annemarie van Wezel van wateronderzoeksinstituut KWR Watercycle Research
in Nieuwegein. Daar doet zij onderzoek
naar de risico’s die nanodeeltjes kunnen
hebben op het milieu. ‘Hier werken mensen die veel weten van milieurisico’s,
maar ze waren niet gewend daarover te
overleggen met techneuten’, zegt zij.
Ook Han van de Sandt van onderzoeksinstituut TNO zegt erg in die aanpak te geloven. ‘Groepen waar onderzoekers met verschillende
wetenschappelijke achtergronden veel
met elkaar samenwerken, zijn het succesvolst.’ Van de Sandt staat aan het
hoofd van een groep die de gezondheidsrisico’s van nanodeeltjes voor mensen in
kaart probeert te brengen en daarvoor
samenwerkt met onderzoekers uit veel
verschillende disciplines. ‘Alleen op die
manier kun je fundamentele interacties
blootleggen’, zegt hij.
Door samen te werken, kunnen de onderzoekers op zoek naar wetmatigheden
in de scheikundige en fysieke vorm van
nanodeeltjes en de manier waarop die het
menselijk lichaam beïnvloeden. ‘Nanodeeltjes komen in allerlei vormen en maten voor, maar wie beter kijkt, ziet in die
bonte verzameling van deeltjes ook heel
veel gedeelde eigenschappen’, zegt Van
de Sandt. Zo zijn veel nanodeeltjes bijvoorbeeld kleine bolletjes, maar vind je
ook platte cirkels of lange, dunne draadjes.
Door dat soort overkoepelende eigenschappen in vorm en chemische samenstelling in kaart te brengen, is het volgens Van de Sandt mogelijk om gezondheidsrisico’s niet alleen achteraf vast te
stellen, maar ook vooraf te voorspellen
op het moment dat een nieuw nanodeeltje alleen nog op papier bestaat.
Asbest
Een type deeltje waarbij dat tegenwoordig kan, is de verzameling van nanodeeltjes die qua vorm sterk lijken op de vezels uit asbest: klein, langwerpig en
stevig. Van die deeltjes is de afgelopen
jaren in verschillende onderzoeken
steeds duidelijker vast komen te staan
dat ze f linke risico’s met zich mee kunnen brengen.
De boosdoeners zijn in de meeste gevallen zogeheten koolstofnanobuisjes.
Die buisjes bestaan uit laagjes grafiet
die niet dikker zijn dan een atoom en
hebben een totale doorsnede van enkele
tot tientallen nanometers. Die kleine
vezels kunnen zich na inademing in de
longen nestelen.
In 2008 bleek uit een in het vakblad
Nature Nanotechnology gepubliceerd onderzoek dat dit soort deeltjes bij muizen dezelfde type onstekingsreacties en vervor-
mingen in de longen veroorzaken als
asbest – een resultaat dat later in andere
onderzoeken werd bevestigd. Dat zorgde
voor f link wat media-aandacht. ‘De extrapolatie die veel mensen toen maakten
was: alle nanodeeltjes leiden tot kanker.
Dat is onterecht’, meent Van de Sandt.
Van heel veel andere nanodeeltjes is
immers nog niet bekend wat voor gevaren ze met zich mee brengen. Om te ontdekken of dergelijke deeltjes ook schadelijk kunnen zijn, bekijken onderzoekers
de invloed van de deeltjes meestal op
kweken van cellen of in proefdieren,
maar die aanpak werkt niet wanneer je
net als Van de Sandt en collega’s ook de
risico’s wilt bepalen van een nanodeeltje
dat fysiek nog niet bestaat.
‘Daarom zijn in ons onderzoek computersimulaties erg belangrijk’, zegt hij.
Met nieuwe software kun je de lengte,
lading en chemische compositie van een
deeltje aanpassen, de gevolgen simuleren
en zo wetmatigheden ontdekken. ‘Maar
uiteindelijk moet je je voorspellingen wel
altijd toetsen in een experiment.’
Op dit moment zijn al heel veel nanodeeltjes op de markt die nooit in nanovorm getoetst zijn op veiligheid. Ze zitten
bijvoorbeeld in voedingsmiddelen, zoals
koffiecreamers, in coatings om je ramen
De celmembranen in ons
lichaam zijn fantastische
filters: aangestuurd door
eiwitten regelen ze precies
welke stofjes onze cellen in
of uit mogen. Membraanwetenschappers Wiebe de
Vos en Erik Vriezekolk van de
Universiteit Twente laten
zich door celmembranen
inspireren bij het maken van
kunstmatige membranen.
Zij gebruiken hiervoor twee
soorten polymeren. Opgelost
in water schikken de polymeren zichzelf automatisch tot
een filterstructuur – het ene
polymeer vormt de feitelijke
filter, terwijl het andere polymeer zich alleen in de dan
nog dichte ‘gaten’ verzamelt.
De Vos: ‘Dat laatste polymeer
lossen we op, en zo houd je
kleine gaatjes van zo’n tien
nanometer breed over.’
In water houdt een membraan met zulke minuscule
‘poriën’ grotere objecten als
virussen, bacteriën en oliedruppels tegen. Ook kun je
de polymeren waaruit het
membraan bestaat positief
of negatief laden, zodat ze
bepaalde eiwitten of zouten
afstoten. De onderzoekers
werken nu nog aan filtergaatjes van precies gelijke
grootte. Schadelijke stoffen
ontsnappen dan niet alsnog
door een groter gat. –ME
shutterstock
september 2013 | New Scientist | 47
dossier
'Je hele auto zit vol
nanodeeltjes, maar het
is niet waarschijnlijk
dat je in aanraking komt
met losse deeltjes'
Nandeeltjes heb je in alle soorten en maten. Veel daarvan
zijn nog nooit op veiligheid getest.
Lawrence Berkeley National Laboratory / Guangzhu Jiechuang
Trading Co / nanoComposix / University of Illinois
beter te isoleren of in de materialen die
het dashboard van je auto steviger
maken.
‘Je kunt nooit honderd procent veiligheid garanderen’, zegt Van de Sandt.
‘Dat is de veiligheidsmythe die in de media nog wel eens wil opduiken. Nanodeeltjes houden altijd een zeker risico, net
als het leven zelf. Het belangrijkste is dat
je inzicht in de risico’s hebt, zodat je
kunt kiezen’, zegt hij.
Niet alleen de risico’s voor de mens
zijn van belang, benadrukt Annemarie
van Wezel van KWR Watercycle Research
– ook het milieu ondervindt mogelijk
last van nanodeeltjes. ‘Die risico’s vallen
uiteen in de verspreiding en de ongewenste effecten op mens en dier’, zegt
Van Wezel, waarbij ze voor dat laatste
dezelfde soort technieken gebruikt als
Van de Sandt.
Voor de verspreidingsrisico’s bekijkt
Van Wezel hoe nanodeeltjes zich in het
mileu gedragen en hoe ze zich via het
water, de bodem, het sediment en via
mensen, dieren en planten, kunnen verspreiden.
Nanodeeltjes kunnen bovendien door
de barrières in ons lichaam heen. ‘Uit
onderzoeken waarbij weefselplakjes geprepareerd worden, zie je dat dat soort
48 | New Scientist | september 2013
deeltjes door ons hele lijf heen kunnen
voorkomen’, zegt Van Wezel.
Belangrijker nog is de vraag hoe mensen en dieren aan de deeltjes kunnen
worden blootgesteld. Van Wezel werkt
daarom aan nieuwe technieken om
nanodeeltjes ook bij hele lage concentraties op te sporen. Van Wezel heeft al aanwijzingen dat sommige onnatuurlijke
deeltjes in het milieu terecht zijn geko-
Nanodeeltjes houden
altijd een zeker risico,
net als het leven zelf
men. Het gaat dan om grote ‘koolstofvoetballen’, grote C-60- of C-80-moleculen met vertakkingen die de nanodeeltjes
hun unieke eigenschappen geven. ‘Die
deeltjes komen in het milieu voor, bijvoorbeeld rond luchthavens. Dit najaar
start een groot Nederlands onderzoek
waarbij we dat soort deeltjes nauwkeurig
proberen te meten.’
Van Wezel benadrukt overigens dat
zelfs aantoonbaar schadelijke nanodeeltjes in het milieu niet altijd daadwerkelijk kwaad kunnen. ‘Er ontstaat pas
gevaar als organismen blootgesteld
worden’, zegt ze.
In de natuur komen veel natuurlijke
nanodeeltjes voor, waaronder bijvoorbeeld kleideeltjes in rivieren. Door de
mens gemaakte nanodeeltjes hebben de
neiging zichzelf daaraan vast te plakken,
waardoor minuscule klontjes ontstaan.
‘Over het algemeen zijn dat soort klontjes redelijk stabiel en verspreiden nanodeeltjes zich dus op die manier in het
milieu’, zegt Van Wezel.
‘Als deeltjes in water aan elkaar klonteren en vervolgens naar de bodem zakken, dan hoeft een visje er geen last van
te hebben’, zegt ze. ‘Maar als die deeltjes
niet samenklonteren en in oplossing blijven, dan kunnen ze bijvoorbeeld de kieuwen van zo’n visje verstoppen of ze worden opgenomen in het lichaam.’
Kaal schuren
Ook Van de Sandt doet veel onderzoek
naar blootstelling. ‘Je hele auto zit vol
met nanodeeltjes, maar het is niet waarschijnlijk dat je in aanraking komt met
losse deeltjes’, zegt Van de Sandt. Ze zijn
3D-kaart
van de sterren
Met nieuwe nanotechnieken
heeft natuurkundige Akira
Endo van de TU Delft een
chip gebouwd die een
3D-kaart kan maken van het
verleden van ons universum.
De nieuwe chip, genaamd
DESHIMA, moet inzicht verschaffen in de manier waarop sterrenstelsels zich vormen en ontwikkelen.
De chip splitst het binnenkomend licht van ontwikkelende sterrenstelsels op basis
van golflengte want dat is
een maat voor de afgelegde
afstand in het heelal. ‘De
golflengte van licht dat lang
door het heelal reist wordt
langzaam uitgerekt’, zegt
Endo. ‘We weten welke golflengte van licht groeiende
sterrenstelsels uitzenden.
Als dat licht hier aankomt,
kunnen we berekenen hoe
ver de golven zijn uitgerekt.
Dan weten we welke afstand
het licht heeft afgelegd, en
waar het bijbehorende sterrenstelsel zich miljarden jaren geleden bevond.’
De DESHIMA-chip vangt het
licht met behulp van strips
van het metaal niobium. Het
licht volgt de niobiumbanen,
die slechts micrometers
breed zijn en gekoeld tot
bijna het absolute nulpunt.
Bij zulke temperaturen verandert niobium in een supergeleider die geen weerstand
biedt aan invallende lichtgolven. Het licht arriveert dan
zo zuiver mogelijk bij de detectoren op de chip, die registreren hoe lang het licht
heeft gereisd.
DESHIMA heeft al geslaagde
testen ondergaan en Endo
bouwt nu een prototype dat
waarschijnlijk in 2015 kan
beginnen met meten. –ME
Zijn nanodeeltjes handige technologische
hulpmiddelen of stille sluipmoordenaars?
ANP
namelijk verwerkt in kunststoffen en
daarin zitten ze gevangen. Dus tenzij je
aan je dashboard gaat krabben, likken of
bijten, is er geen probleem.
De vraag is wel wat er gebeurt nadat
bijvoorbeeld een raam met een nanocoating kapot is gegaan of vervangen wordt.
‘Dan wordt het waarschijnlijk gerecycled, dus er wordt wel iets mee gedaan.
Misschien dat de nanodeeltjes dan opnieuw vrij komen’, zegt Van de Sandt.
Daarom kijkt zijn onderzoeksgroep nu
ook naar de totale levensloop van spullen. ‘In het lab hebben we bijvoorbeeld
een tafel onderzocht die gelakt was met
een nanocoating. Toen we die kaal
schuurden, kwamen bij ons geen nanodeeltjes vrij. Die zaten altijd vast aan
stukjes hout’, zegt Van de Sandt.
Desondanks blijft er volgens Van de
Sandt altijd reden tot alertheid. Tests zoals die met de tafel worden nog nauwelijks gedaan en in potentie kunnen ook
andere dan asbest-achtige nanodeeltjes
gevaarlijk zijn. ‘De mechanismen in het
lichaam die leiden tot gezondheidsproblemen zijn slechts deels bekend’,
zegt hij.
Een van de bekende mechanismen is
bijvoorbeeld oxidatieve stress, waarbij
een nanodeeltje de zuurstofhuishouding
van de cel verstoort. Dat kan tot ontstekingen leiden en in sommige gevallen
uiteindelijk tot kanker. Van de Sandt:
‘Daarbij is de chemische samenstelling
van de deeltjes erg belangrijk.’
Zijn onderzoeksgroep besteedt daarbij
bijzondere aandacht aan de werknemers
die in fabrieken worden blootgesteld aan
nanodeeltjes. ‘Met hen doen we ook epidemiologisch onderzoek’, zegt Van de
Sandt. ‘We volgen de proefpersonen
daarbij over een lange tijd.’ Zo kan hij
onder meer bepalen of sommige deeltjes
jaren later niet alsnog tot gezondheidsklachten leiden. Dankzij die jarenlange
looptijd, zullen echter de eerste uitkomsten voorlopig nog niet bekend zijn.
Tot die tijd weet daarom niemand precies wat voor invloed nanodeeltjes hebben. Zijn het handige technologische
hulpmiddelen of stille sluipmoordenaars? Volgens Van de Sandt is er in elk
geval geen reden je zorgen te maken, zolang je maar weet wat wel en niet verantwoord is om met nanodeeltjes te doen.
‘Eigenlijk is het wat dat betreft goed vergelijkbaar met zout’, zegt hij. ‘Dat is zo
schadelijk voor de gezondheid dat we het
nu nooit meer op de markt zouden brengen, maar toch kan iedereen het veilig
gebruiken.’
september 2013 | New Scientist | 49