Minimaterie

Nanotechnologie is de kunst van het kleine. De manipulatie van moleculen belooft doorbraken in de geneeskunde, de brandstofproductie, de informatieopslag, de chemie. Amerika, Europa en Japan zijn in een race verwikkeld – maar Europa ligt achter.

In opdracht van het Amerikaanse leger werken wetenschappers van het Massachusetts Institute of Technology (MIT) in Cambridge aan een lichtgewicht militair pak met ongekende mogelijkheden. Het moet zijn drager beschermen tegen kogels, drukgolven van ontploffende bommen en gasaanvallen. Het tenue past zijn kleur voortdurend aan de omgeving aan. Mocht de soldaat een been of een arm breken, dan veranderen de textielvezels plaatselijk van structuur en vormen ze een spalk. Bij een bloeding trekken ze samen tot een soort tourniquet.

De onderzoekers die het pak ontwikkelen hebben voor de komende vijf jaar 50 miljoen dollar subsidie van de Amerikaanse overheid gekregen. Daarnaast investeren defensiebedrijf Raytheon en chemieconcern DuPont in het project. In Irak hebben ze er nog niets aan: of het pak er voor 2010 is, valt te betwijfelen. Dat zal mede afhangen van de vorderingen in een nieuw, snel opkomend multidiscipline: de nanotechnologie.

Nano betekent `dwerg' in het Grieks. Of, in termen van lengte: een nanometer is een miljoenste millimeter. Een bacterie is ongeveer duizend maal groter, een menselijke haar 100.000 keer dikker. Nanotechnologie is alle wetenschap en technologie die zich afspeelt op een schaal van nanometers. Het begrip slaat dus alleen op de maten waarmee gewerkt wordt, en niet op het vakgebied. Zo is er zonnecrème op de markt waarin bolletjes titaniumoxide zitten met een doorsnee van enkele tientallen nanometers. Door de nanobolletjes laat de crème zich beter uitsmeren op de huid. Een paar jaar geleden kon men die nog niet zo klein maken. Tennisballen hebben tegenwoordig aan hun binnenkant nanobolletjes van klei, die de bal een betere veerkracht geven. Voor waterfilters zijn zeefjes in ontwikkeling met gaatjes van nog maar enkele tientallen nanometers groot, zodat de vervuiling beter uit het water te halen is.

,,Alles wordt kleiner'', zegt dr. Henk van Houten van Philips Research in Eindhoven. Hij noemt als voorbeeld de afzonderlijke schakelingen op een chip. Die meten tegenwoordig nog maar 50 tot 100 nanometer. Daardoor kunnen er wel 50 miljoen van die schakelingen op een chip, die daardoor meer informatie kan verwerken dan voorheen. ,,We krijgen steeds meer greep op de materie en kunnen die op steeds kleiner niveau manipuleren.'' Zo heeft het Amerikaanse bedrijf Nanotex de moleculaire structuur van textielvezels aangepast waardoor ze vuil en vlekken afstoten. Kleren hoeven dus niet meer gewassen. Hiermee zou volgens sommigen het einde van het wasmachinetijdperk zijn ingeluid.

Nanotechnologie zal voor een revolutie zorgen in de medische diagnostiek en de chemie, verwacht prof.dr. David Reinhoudt, hoogleraar supramoleculaire chemie aan de Universiteit Twente. Binnen zijn groep loopt een onderzoek met de naam lab on a chip: op een chip ter grootte van een creditcard worden allerlei chemische reacties uitgevoerd. Reinhoudt: ,,De eerste computer kon een collegezaal vullen. Nu past hij in je hand. Diezelfde miniaturisering staat te gebeuren met fabrieken en laboratoria.''

Onder nanotechnologie valt nog meer. Voor chipmakers staat het gelijk aan verkleining, maar voor biologen staat het juist gelijk aan vergroting.Traditioneel bestuderen ze moleculen in levende cellen. Die zijn een stuk kleiner dan een nanometer. De laatste tien jaar slagen biologen en chemici dankzij nanotechnologie erin om moleculen van enkele nanometers groot te bouwen – kolossaal in hun ogen. Deze mogelijkheid belooft ook weer nieuwe toepassingen.

`Juist de combinatie van informatica, biologie en chemie maakt nanotechnologie zo veelomvattend.

Het is een containerbegrip'', zegt Van Houten van Philips. ,,Dankzij die combinatie kun je slimmere materialen maken'', zegt prof.dr. Jos Put, hoofd materialenonderzoek bij chemieconcern DSM.

Hij noemt als voorbeeld een Amerikaans bedrijf waar DSM zelf geld in investeert, Triton Biosystems, dat een nieuwe kankertherapie ontwikkelt. Het medicijn bestaat uit piepkleine magnetische bolletjes; aan de buitenkant zijn moleculen gehecht die specifiek aan kankercellen binden. Als de patiënt het medicijn krijgt ingespoten en even later in een magnetisch veld wordt gebracht – zoals ook gebeurt in een MRI-scanner – worden de magnetische bolletjes warm en gaan ze warmte uitstralen. Het wordt plaatselijk zo heet dat de kankercel sterft. Philips werkt aan kleding waarin piepkleine sensoren zijn verwerkt die informatie verzamelen over hartslag, ademhaling en lichaamsbeweging. Van Houten: ,,Zo kun je iemands gezondheid beter in de gaten houden.''

Nanotechnologen laten zich graag inspireren door de natuur. De Amerikaanse wetenschappers van MIT die het futuristische militaire pak maken, onderzoeken de moleculaire samenstelling van het parelmoeren huisje van de zoutwaterslak Trochus niloticus. De manier waarop de moleculen in elkaar grijpen en parelmoer vormen, is wellicht te gebruiken om textiel meer stijfheid te geven.

Zo heeft DSM in detail gekeken naar de facetogen van nachtvlinders. Om 's nachts nog wat te kunnen zien moeten ze al het licht dat op de ogen valt opvangen. Er mag niks reflecteren. Die kennis hebben ze bij DSM gecombineerd met het `lotus-effect': het oppervlak van de lotusbloem is dusdanig dat een waterdruppel er altijd afrolt, en daarbij vuil meeneemt. DSM brengt binnenkort een coating op de markt die én geen licht reflecteert, én makkelijk schoon te krijgen is. Een soortgelijk product is al op de markt: op de buitenspiegels van de nieuwe Audi-serie.

Overheden verwachten allerlei revolutionaire doorbraken dankzij de nanotechnologie, hoe vaag die term ook is: zuinigere zonnecellen, schoner water, veiliger voedsel, goedkopere productie van chemicaliën en medicijnen. De subsidies die worden uitgetrokken voor nanotech-onderzoek zijn snel gestegen. In 1997 gaven Amerika, Japan en Europa er allemaal zo'n 120 miljoen dollar aan uit. Dat is met sprongen omhoog gegaan: vorig jaar is in Amerika een wet aangenomen die voor de komende vier jaar 3,7 miljard dollar toekent aan nanotech-projecten. Daarmee komen de jaarlijkse uitgaven op ruim 900 miljoen dollar. Voor Japan gelden soortgelijke bedragen.

Europa bleef tot nog toe wat achter, maar voormalig EU-commissaris voor Onderzoek Philippe Busquin heeft eerder dit jaar laten weten het beschikbare bedrag – 1,3 miljard euro voor een periode van vier jaar – te willen verdrievoudigen.

De Nederlandse overheid heeft vorig jaar 95 miljoen euro beschikbaar gesteld voor een nanotech-programma, NanoNed geheten, waaraan zeven universiteiten, een van de TNO-instituten en Philips meewerken. ,,Met geld van Brussel, de universiteiten en Philips zijn we uiteindelijk op 250 miljoen euro uitgekomen'', zegt Reinhoudt, hoogleraar in Twente en nu ook voorzitter van het programma. Het lijkt veel, zegt hij, maar voor dit soort onderzoek heb je veel geld nodig voor zaken als stofvrije clean rooms en peperdure microscopen. ,,Maar liefst 40 procent van het geld gaat naar infrastructuur, de rest naar projecten'', aldus de chemicus. Zo loopt er een project dat zoekt naar lichtgevoelige materialen voor snelle opslag en verwerking van informatie – de glasvezelkabel is daarvan een voorbeeld.

Van Houten van Philips vindt de opzet van NanoNed wel erg wetenschappelijk. Graag zou hij wat meer focus op toepassingen zien, zoals in Amerika en Japan gebeurt. ,,Daar hebben ze ook fundamenteel onderzoek. Maar daarnaast loopt er bijvoorbeeld een programma dat tot een nieuwe generatie verlichting moet leiden.'' Het is volgens hem de bekende Europese kennisparadox: wetenschappelijk gezien kan Europa zich meten met Amerika en Japan, maar wat betreft de bedrijvigheid blijft het achter. Europa innoveert te weinig, zoals onlangs nog werd vastgesteld in een rapport aan de Europese Commissie, dat werd opgesteld onder leiding van ex-premier Wim Kok.

Het ontbreekt in Europa aan risicokapitaal voor startende ondernemers, meent Tim Harper, directeur van de European Nanobusiness Association, de Europese brancheorganisatie voor nanotech-bedrijven. Daarnaast zijn er te weinig wetenschappers die willen ondernemen: ,,Zaken doen wordt gezien als iets vies.''

Nee, zegt Reinhoudt, ondernemende wetenschappers zijn er genoeg. Rond zijn instituut hebben zich inmiddels 26 bedrijfjes gevestigd. ,,Volgens mij is er geen kennisparadox, maar een beloningsparadox.'' Als in Amerika een promovendus rijk wordt van zijn onderzoek vindt iedereen dat prachtig, zegt Reinhoudt. In Europa is prestatiebeloning echter een vies woord. ,,We leven in een zekerheidscultuur'', aldus de chemicus. ,,Dat is geen goed klimaat om in te ondernemen.''

Deskundigen zoals Put van DSM waarschuwen voor overspannen verwachtingen. ,,Deze technologie is erg in de mode.'' Volgens Van Houten wordt er soms klinklare onzin verkocht. ,,We zouden nanomachines kunnen maken die we in ons lichaam brengen en die ziektes zouden kunnen herstellen'', zegt hij. ,,Flauwekul.''

Er is ook angst. Critici hebben al gewaarschuwd voor nanorobots die niet meer in de hand te houden zijn, en zich tegen de mens keren. Volgens Put van DSM horen zulke overdreven angsten bij de introductie van elke nieuwe technologie. ,,Wij als wetenschappers moeten ervoor oppassen dat nanotechnologie niet in de prullenmand verdwijnt door irrationele angsten.''

Het grootste potentiële gevaar zit volgens velen in de toxicologie. Wetenschappers vragen zich af wat er gebeurt als nanobolletjes, -buisjes of andere kleine deeltjes uit de fabriek wegwaaien of via het afval op de schroothoop terechtkomen. Stel dat ze in water, lucht of bodem terecht komen – leveren ze dan gevaar op voor mensen, dieren en planten? De gevolgen zijn niet te overzien. Daarom is voorzichtigheid geboden. Zo hebben Amerikaanse onderzoekers eerder dit jaar in het laboratorium aanwijzingen gevonden dat zogeheten buckyballs (nanoballetjes die opgebouwd zijn uit alleen maar koolstofatomen, net zoals diamant en grafiet) hersenschade kunnen veroorzaken in baarzen.

Op basis van deze studie heeft de Zwitserse verzekeraar Swiss Re opgeroepen tot een open debat over de mogelijke risico's van nanotechnologie. Alleen zo is een ,,optimaal risicomanagement'' mogelijk, zo stelt het bedrijf in een recent rapport. De Engelse kroonprins Charles, die zich eerder tegen genetisch gemanipuleerd voedsel keerde, heeft opgeroepen om meer aandacht te besteden aan de mogelijke risico's van nanotechnologie. Datzelfde heeft prof.dr. Lucas Reijnders, hoogleraar milieukunde aan de Universiteit van Amsterdam, herhaaldelijk gedaan.

Reinhoudt laat weten dat het NanoNed-programma wel aandacht besteedt aan de impact van nanotechnologie op de maatschappij, maar niet aan milieu- en gezondheidsrisico's: NanoNed beschikt niet over de benodigde expertise.

In Nederland voert het Rijksinstituut voor Volksgezondheid en Milieu (RIVM) in opdracht van het ministerie van Volksgezondheid een inventarisatie uit van de gezondheidsrisico's van nanotechnologie. Er wordt onder meer gekeken naar zogeheten ultrafijne roetdeeltjes die het autoverkeer via hun uitlaatgassen in de lucht brengen. Van roetdeeltjes is bekend dat ze tot longziekten als astma en vroegtijdige sterfte leiden. Uitkomsten van de studie worden volgend jaar mei verwacht.