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
