Simon Stevin Gezel. Nr. 08 Technologisch Toptalent oktober 2012 Technologiestichting STW

Simon Stevin Gezel Nr. 08 Technologisch Toptalent oktober 2012 Technologiestichting STW

Inhoud

02

Voorwoord

26

Overige genomineerden

Eppo Bruins

04

06

Simon Stevin Gezelprijs 2012

Finalisten

28

dr. Can Aran

32

Simon Stevin Gezel 2012

08

Kijken in het hart

Beter datatransport op een chip

36

Thuistest voor mannelijke vruchtbaarheid

Een lever nagebouwd in een chip dr. Mathieu Odijk

40

dr. ir. Daniël Schinkel

20

Nanobuizen met inhoud dr. Jia Gao

dr. Coert Metz

14

De buisjes waarin het gebeurt

Varkensvoer voor de kleintjes dr. Marije Oostindjer

44

Op het spoor van de stikstof dr.ir. Gerard Ros

dr. ir. Loes Segerink 48

Het oor van de hersenen meten dr. Rebecca Schaefer

52

1

Technologisch Toptalent 2012

Colofon

2

Technologiestichting STW


Nederland kennisland, talentenland, innovatieland

Valorisatie begint bij nieuwe kennis. Nieuwe kennis komt uit grensverleggend

onderzoek. Wetenschap is internationaal. Jonge talentvolle mensen zijn niet op zoek naar een plaats of een land maar naar een intellectuele uitdaging. Allemaal open deuren, maar allemaal ook even waar. De interviews met alle genomineerden voor de titel van Simon Stevin Gezel 2012 in dit boekje laten al die aspecten zien. Een greep uit de verhalen.

Een Turkse promovendus die via universiteiten in Istanbul en Aken in Twente

terecht komt en een microreactor ontwerpt. Een Chinese promovendus die het in Hong Kong niet naar zijn zin heeft, in Groningen belandt waar hij werkt aan het bruikbaar maken van koolstofnanobuisjes voor de echte wereld en daarna naar Princeton gaat. Een Nederlandse promovenda die vanuit dieronderzoek in Wageningen in Noorwegen terecht komt en daar strategieën onderzoekt om mensen gezonder te laten eten. Een Nederlandse student die in België tot de ontdekking komt dat hij iets wil doen wat praktisch nut heeft en in Twente een soort kunstmatige lever ontwerpt. Een Amsterdamse promovenda die in Nijmegen onderzoek doet naar hoe onze hersenen reageren op muziek en nu in Schotland dat probeert te vertalen naar het ervaren van muziek om revalidatie te bevorderen. En dan zijn er de promovendi die hier geboren zijn, hier blijven, betrokken raken bij nieuwe bedrijven, datasystemen en –banken opzetten waar de hele wereld wat aan heeft, nieuwe technologie ontwikkelen die toegepast wordt tot bij de planeet Mars.

Als al deze verhalen van STW-promovendi op evenzovele opmerkelijke STW-projecten

iets laten zien dan is dat het belang van Nederland als kennisland en Nederland als talentland. Met die kennis, die gedreven talenten en een stimulerende omgeving komt het met Nederland als innovatieland ook goed.

3

Eppo Bruins, directeur Technologiestichting STW


4



Simon Stevin Gezelprijs

De Simon Stevin Gezelprijs wordt door Technologiestichting STW jaarlijks uitgereikt aan ‘de beste promovendus op een STW-project’ van het voorgaande jaar. Het is een aanmoedigingsprijs van 5.000 euro, te besteden aan een activiteit ter bevordering van de (wetenschappelijke) loopbaan van de onderzoeker. Promovendi moeten zijn voorgedragen door hun projectleider, waarna bij STW een screening plaatsvindt op grond van publicaties/ citaties en activiteiten op utilisatiegebied. De doorslag geeft uiteindelijk de manier waarop de genomineerden op de shortlist in staat zijn een lekenpubliek te informeren en te enthousiasmeren voor hun onderzoek en het gebruik van de kennis uit het onderzoek. De verkiezing van de Simon Stevin Gezel is een vast onderdeel van het jaarcongres van STW. Uit de nominatie voor de wedstrijd selecteert een jury drie finalisten die zich tijdens het congres presenteren. In dit boekje vindt u interviews met de drie finalisten en de overige genomineerden. De drie finalisten zijn: dr. Coert Metz (Erasmus MC) ‘Kijken in het hart’. dr. ir. Daniël Schinkel (Universiteit Twente) ‘Beter datatransport op een chip’. dr. ir. Loes Segerink (Universiteit Twente) ‘Thuistest voor mannelijke vruchtbaarheid’.

5


6



finalisten Simon Stevin Gezel 2012

dr. Coert Metz dr. ir. Daniël Schinkel dr. ir. Loes Segerink

7


8



Kijken in het hart finalist Technologisch toptalent 2012 dr. Coert Metz

Coert Metz’ computermodel voorspelt de werking van het hart in de tijd

Kun je kransslagaderverkalking beter behandelen als je de bewegende driedimensionale beelden van hartscans (die vóór een operatie van de patiënt worden gemaakt) kunt relateren aan de tweedimensionale röntgenbeelden van het hart die een arts tijdens een operatie ter beschikking heeft? Als het lukt om die twee soorten beelden te combineren, dan verbetert de kwaliteit van operaties en neemt de belasting voor de patiënt af.

9


Bij zijn onderzoek maakte Metz gebruik van de tijdens een hartoperatie vooraf opgenomen bewegende driedimensionale (3D) CT-scans, die hij moest kunnen matchen met de actuele röntgenbeelden. Daartoe moet de computer beide soorten beelden over elkaar heen leggen. De rekenmethode moet zo snel zijn, dat de

opgeslagen en actuele beelden onmiddellijk op elkaar passen. Dat vergt efficiënte algoritmen. Ook moeten de formules om kunnen gaan met bewegingen die in de röntgenbeelden zichtbaar zijn. Deze bewegingen ontstaan bijvoorbeeld door de hartslag, ademhaling of bewegingen van de patiënt – want tijdens een dotterbehandeling is de patiënt wakker. Metz’ eerste uitdaging was een methode te vinden waarmee de kransslagaders automatisch opgespoord konden worden in de CT-scan. “Kransslagaders zijn klein – hun diameter is rond de 2,5 tot 4 millimeter – en ze lijken sterk op andere buisvormige structuren in het lichaam, zoals de bronchiën van de longen. Ik heb me eerst gericht op het vinden van het centrum van de aorta, om vandaar de loop van de aders op te sporen.” Dit bleek pionierswerk. Een van de praktische problemen: er bestond geen standaardmethode voor het beoordelen van de kwaliteit van een bepaald algoritme. Metz zette daarom samen met een collega een evaluatieraamwerk op. Dit raamwerk werd in 2008 op de grootste conferentie voor medische beeldverwerking (MICCAI) in New York gepresenteerd. Collega’s bleken enthousiast, want nu was eindelijk een vaste dataset beschikbaar, waarmee onderzoekers objectief de kwaliteit van verschillende kransslagaderdetectiemethoden kunnen ijken en met elkaar vergelijken. Metz: “Aan het opzetten van de website en de databases hebben we een half jaar keihard gewerkt. Maar het is de moeite waard geweest, want een heleboel onderzoekers gebruiken het nu. Je merkt vooral dat mensen die vlak voor een conferentiedeadline zitten, ons raamwerk gebruiken. Het is een enorme verbetering voor de evaluatie van de verschillende methoden.”

10


Verkalking van de kransslagaders is wereldwijd een van de belangrijkste doodsoorzaken. Bij een behandeling van aderverkalking in het hart brengt de arts een katheter bij de patiënt in waarmee de bloedvaten bekeken en eventueel opgerekt kunnen worden. Deze procedure (het zogeheten dotteren) is het moeilijkst bij patiënten met vergevorderde verkalkingen. Wanneer de verkalking zo sterk is dat een kransslagader helemaal dicht zit, vloeit er namelijk onvoldoende contrastvloeistof voorbij de verkalking. Daardoor kan de arts tijdens de operatie op de röntgenbeelden niet goed zien waar de verstopping zit, en moet hij of zij de katheter door de verstopping boren om het vat op te kunnen rekken. Dat bemoeilijkt de behandeling en verhoogt het risico op complicaties. Na zijn studie medisch-technische informatica in Utrecht, die hij afsloot met een master in biomedical image sciences, wilde Coert Metz (geboren in 1981 te Ede) graag iets met zijn kennis doen om mensen te kunnen helpen. “Ik had altijd interesse voor de medische wereld, en als hobby heb ik fotograferen. Ik vond het fascinerend dat je met een scanner van buitenaf in het lichaam van iemand kunt kijken.” Daarom besloot Metz in 2005 om te solliciteren op een baan als onderzoeksassistent in het Erasmus Medisch Centrum in Rotterdam. Na een half jaar vond hij het onderzoekswerk zo de moeite waard dat hij solliciteerde op een promotieplek binnen de Biomedical Imaging Group. Efficiënte algoritmen


11


12



Vierdimensionaal model

De volgende stap was om uit de bewegende 3Dscans van het hart een vierdimensionaal model (3D-bewegingen in de tijd) te maken van de kransslagaders. Met dat model kan de beweging van het hart tijdens de operatie worden voorspeld, met als resultaat dat de beelden veel beter over de röntgenbeelden kunnen worden gelegd. Een speciaal algoritme werd ontwikkeld om de beweging van de kransslagaders uit de vierdimensionale CT-scan te extraheren. De computer legt de 3D-afbeeldingen van verschillende tijdpunten in de hartslag automatisch op elkaar door één van de twee beelden zo te vervormen dat deze op het andere beeld past. Metz: “De hartslag is een repeterend systeem, dus als je een snapshot van een bewegend punt op het hart hebt, dan moet dit na verloop van tijd weer op zijn uitgangspositie terechtkomen. Deze kennis hebben we in het computeralgoritme gestopt.” Nadat Metz een aantal jaren verder was in zijn onderzoek, bleek dat de klinische praktijk inmiddels iets was veranderd. Om de stralingsbelasting voor patiënten te verlagen, wordt tegenwoordig steeds minder vaak een bewegende driedimensionale CT-scan van het hart gemaakt. Metz: “De trend ging steeds meer naar het maken van één 3D-snapshot in een vooraf bepaalde fase van de hartslag, in plaats van het maken van meerdere snapshots tijdens de hele hartslag.” De uitdaging was of je uit één enkele 3D-moment opname van het hart de hartbewegingen zou kunnen afleiden. Er werd daarom een computermodel van het hart gemaakt, dat op basis van de vorm en het volume van het hart kan voorspellen hoe het zich in de tijd zal bewegen. Deze methode is gebaseerd op statistische modellen van zowel de vorm als de beweging van het hart.

13


Inmiddels is het proof-of-concept van deze methode geleverd. Om het in de klinische praktijk toe te passen, zijn nog verbeteringen nodig. Daar werkt Metz nu aan. Hij is postdoc bij dezelfde groep als waar hij promoveerde. Metz: “De eerste reacties uit de kliniek zijn positief. Er is echter nog wel werk nodig om de methode in de praktijk te kunnen gebruiken: de methode zou nog wat sneller gemaakt moeten worden en het systeem moet goed op bestaande diagnoseapparatuur en opstellingen in de operatiekamer aan te sluiten zijn. Over een jaar of vijf kunnen dan de eerste patiënten met het systeem geholpen worden. Dat vind ik erg leuk aan dit onderzoek.”

14



Beter datatransport op een chip finalist Technologisch toptalent 2012 dr.ir. Daniël Schinkel

Daniël Schinkel onderzocht hoe een chip sneller én energiezuiniger te maken

Wat al sinds de jaren zeventig bekend is, namelijk dat elektrische signalen in de bedrading op een chip veel langzamer zijn dan de snelheid van het licht, wordt nu een echte bottleneck. De koperbedrading is een rem op de communicatiesnelheid, zorgt voor extra stroomverbruik en verhoogt de kans op fouten. Daniël Schinkel (geboren in 1978 te Finsterwolde) onderzocht of dat niet beter kan.

15


Op geïntegreerde schakelingen (chips) passen ieder jaar meer onderdelen: tegenwoordig telt een processor meer dan 2,5 miljard transistoren op een plakje silicium ter grootte van een postzegel. Die onderdelen moeten steeds meer en steeds sneller gegevens met elkaar uitwisselen. Zo gaan er tussen de verschillende rekeneenheden (“cores”) van een processor vaak vele miljarden bits (gigabits) per seconde heen en weer. Ook moeten de rekeneenheden grote hoeveelheden gegevens van en naar het geheugen op een chip sturen. De datacommunicatie tussen die eenheden vindt plaats met metalen verbindingen. Dat zijn kleine koperbaantjes die als een soort snelwegen op de chips zijn gelegd om de verschillende componenten met elkaar te verbinden. De draadjes zijn klein – minder dan een halve micrometer in doorsnede en een paar millimeter lang. En ze zijn vijf tot tien keer zo langzaam als de schakelsnelheid van transistoren. Daarmee vormt de koperbedrading een rem op de communicatiesnelheid, zorgt voor extra stroomverbruik en verhoogt de kans op fouten. Tijdens zijn studie elektrotechniek aan de Universiteit Twente was Daniël Schinkel al veel bezig geweest met communicatiesystemen: draadloze digitale communicatie van audiosignalen. Dus toen er een onderzoeksplek vrij kwam voor digitale communicatie in geïntegreerde schakelingen, had dat meteen zijn interesse. Schinkel: “De industrie probeert het probleem te omzeilen met een methode die vergelijkbaar is met wat men vroeger in diepzeekabels voor telefonie deed: de draadjes worden op gezette afstanden – bij een chip iedere paar millimeter – onderbroken, en met versterkers wordt het signaal gerepareerd. Ik wilde kijken of dat niet beter kan.”

16


Computersimulaties

Schinkel voerde zijn onderzoek uit met een andere promovendus, Eisse Mensink. Samen onderzochten ze de eigenschappen van de draadjes op een chip nauwkeurig. Na een uitvoerige literatuurstudie deden ze de eerste simulaties in de computer. Schinkel: “De draden worden traag door een aantal dingen: weerstand, capaciteit en het ‘skineffect’ – de eigenschap dat de stroomdichtheid hoger wordt aan het oppervlak van een geleider.” Na het eerste jaar kon de eerste demonstratiechip worden gebouwd in 130nm Complementary Metal Oxide Semiconductor of CMOS-technologie, en was de apparatuur ingericht om metingen aan de chip te kunnen doen. Zo’n meetopstelling is op zichzelf al een uitdaging, legt Schinkel uit: “Dat gaat met een zogeheten ‘probe station’ – dat is een grote verzwaarde tafel, met daarop armen die zeer nauwkeurig gepositioneerd kunnen worden zodat via kleine naaldjes signalen met heel hoge frequenties in een chip overgebracht kunnen worden. Zo’n probe station is ontzettend gevoelig. Als je de set-up per ongeluk aanraakt, is de hele meting verstoord. Het vergt enige tijd om de meetopstelling zo goed te krijgen dat je de elektromagnetische signalen meet die je zoekt.” Op de demonstratiechip hadden de onderzoekers een aantal zenders en ontvangers aangebracht, verbonden met verschillende soorten koperbaantjes, die in een serpentine over het silicium waren gelegd. Zo kon de testchip het beste een grote industriële chip simuleren. Vier dingen werden onderzocht: ten eerste, of de draadjes zelf geoptimaliseerd kunnen worden voor hogesnelheidscommunicatie. Ten tweede, of de elektromagnetische interferentie tussen de draadjes te reduceren valt. Ten derde, met welke signaalmethode de gegevens het beste over de draadjes gestuurd kan worden. En ten vierde: hoe de data-


17


18



communicatie zo zuinig mogelijk met stroom kan omgaan. Schinkel: “Het bleek dat de eerste onderzoeksvraag positief kon worden beantwoord: de draadjes geleiden veel beter signalen als ze aan de ontvangstkant een afsluitweerstand krijgen of aan de zenderkant een capaciteit. De tweede vraag bleek ook eenduidig te beantwoorden: leg de draadjes in gevlochten aderparen op het silicium, en je krijgt een veel beter signaal. Voor wat betreft de derde vraag hadden we becijferd dat pulsbreedtemodulatie weleens heel geschikt kon zijn om de datacommunicatie te versnellen. We wilden kijken of je deze techniek ook op zo’n kleine schaal kunt toepassen.” Chipdesign

De resultaten daarvan waren zo opzienbarend dat ze op de grootste conferentie voor chipdesign in San Francisco gepresenteerd werden. Schinkel: “Duizenden toponderzoekers en heel Silicon Valley komen daar bijeen. We kregen echt het gevoel: we zitten midden in de IC-designwereld, en collega’s kunnen echt iets met ons onderzoek.” In het derde jaar kwam de laatste vraag aan bod: hoe kun je het energieverbruik naar beneden brengen? Schinkel: “Toen zijn we afgestapt van de pulsbreedtemodulatie, want daarmee haal je wel hoge snelheden, maar geen laag energie-verbruik. Nadat we opnieuw veel simulaties hadden gedaan, lieten we een nieuwe demonstratiechip maken, dit keer gefabriceerd in 90nm CMOS. Met deze chip konden we laten zien dat het mogelijk is om het vermogensverbruik flink naar beneden te brengen als er aan de zenderkant een kleine capaciteit van een paar honderd femtofarad wordt ingebouwd.” Met deze circuits zijn snelheden te bereiken die zo’n zeven keer hoger liggen dan wat met

19


conventionele circuits mogelijk is, bij een veel lager energieverbruik. In het laatste jaar ging Schinkel de netwerken op een chip beter bekijken en bestudeerde hij hoe de nieuwe technieken voor industriële chips geschikt kunnen worden gemaakt. Tegelijk zette hij samen met een hoogleraar van de Universiteit Twente en nog een drietal partners een bedrijf op: Axiom IC. Schinkel: “We hadden naast het promotieonderzoek ook een aantal concepten voor nieuwe analoog-digitaalomzetters ontwikkeld, en het was zonde om daar alleen over te publiceren. Vanaf dag één waren we winstgevend: we konden meteen een chip maken voor een ruimtevaartmissie naar Mars. Dat was een erg leuk project. Inmiddels worden onze producten door klanten in het binnen- en buitenland gekocht. Binnen Nederland is NXP Semiconductors onze grootste klant. Ik ben er trots op, dat we helemaal met eigen middelen een gezond bedrijf hebben opgebouwd.”

20



Thuistest voor mannelijke vruchtbaarheid finalist Technologisch toptalent 2012 dr.ir. Loes Segerink

Loes Segerink ontwikkelde een chip die de zaadkwaliteit meet

Loes Segerink (geboren in 1984 te Oldenzaal) kwam in de eindfase van haar studie biomedische technologie aan de Universiteit Twente terecht bij de vakgroep BIOS Lab-on-a-Chip van professor Albert van den Berg. Haar onderzoeksvraag: is het mogelijk om de handmatige procedure voor het bepalen van de vruchtbaarheid van een man te verbeteren?

21


Tot dusver bepaalt een laborant de concentratie en bewegelijkheid van de zaadcellen met een microscoop. Een arbeidsintensieve, subjectieve en dure methode. Het doel van het onderzoek van Segerink was om een chip te ontwikkelen waarmee mannen met een simpele thuistest zelf de kwaliteit van hun sperma kunnen meten. De chip moet daarvoor de zaadcellen tellen en hun beweeglijkheid vaststellen. En dat allemaal op een eenvoudige en goedkope manier. De eerste stap voor Segerink was te leren hoe een laboratorium op postzegelformaat werkt. Ze dook de literatuur in en ging vakken volgen waarin onderwerpen als nanotechnologie en het maken van elektrische meetinstrumenten op een chip aan bod kwamen. Daarna stelde ze de eisen op waaraan de chip zou moeten voldoen die mannelijke zaadcellen moet gaan meten. Ze begon met een testsysteem voor het bepalen van de concentratie van de zaadcellen. Uit de literatuur was al bekend dat als je een vloeistof door een heel dun kanaaltje leidt, en dan de elektrische impedantie van het kanaaltje meet, je aan de hand van de impedantieveranderingen iets kunt zeggen over de grootte van de cellen die langskomen. Dat principe was nog nooit eerder op zaadcellen toegepast. Segerink kreeg zaadmonsters van varkens, en ging met een eerste, zelfontwikkelde chip meten. Segerink: “We zagen inderdaad dat de impedantie stijgt als er zaadcellen voorbijkomen. Maar dan weet je nog niet hoeveel zaadcellen er per hoeveelheid oplossing aanwezig zijn. Daarvoor moet je het volume heel precies weten, wat in de praktijk betekent dat de stroomsnelheid precies bekend moet zijn. Op een chip is dat lastig te meten.”

22


Mediacircus

De eerste puzzel die dus moest worden opgelost, was te zien of de concentratie van een monster ook op een andere manier bepaald kan worden. Dit bleek inderdaad mogelijk door het aantal zaadcellen relatief ten opzichte van een bekende concentratie andere deeltjes te meten. Segerink voegde een precies bekende hoeveelheid kleine (6 μm) polystyreen bolletjes aan het semen toe. Op de impedantiemetingen waren nu afwisselend zaadcellen en bolletjes te zien. Uit de verhouding tussen die twee valt de concentratie van de spermatozoa te bepalen. Segerink publiceerde in het tweede jaar van haar promotie de resultaten in het vakblad ‘Lab on a Chip’. Het was haar eerste wetenschappelijke artikel, en tot haar verrassing werd het zonder veel opmerkingen van de peer-reviewers geplaatst. Maar daar bleef het niet bij. Segerink: “De redactie van het vakblad vond mijn artikel zo interessant, dat ze er in Engeland een persbericht over verstuurden. Daarna kreeg ik een heel mediacircus over me heen. Journalisten uit binnen- en buitenland belden me plat. De ene na de andere filmploeg stond op de stoep. Bedrijven wilden de chip gaan importeren. Ik wist niet hoe ik het had! Ik dacht: gaat dat altijd zo, als je een wetenschappelijk artikel publiceert?” Nadat de rust enigszins was weergekeerd, kon Segerink zich concentreren op het verbeteren van de elektroden voor de impedantiemetingen. Voor de concentratiemeting bevonden de elektrodes zich aan dezelfde kant van het kanaal. Dit heeft een elektrisch veld tot gevolg dat niet overal homogeen is. Hierdoor heeft ook de plaats van het deeltje – en niet alleen zijn grootte – invloed op de impedantieverandering. De optie om elektrodes aan boven- en onderkant van het kanaal te plaatsen, heeft weer als nadeel dat die tijdens de fabricage precies op elkaar moeten


23


24



worden uitgelijnd, en dat er voor het aansluiten verbindingen aan beide kanten van een glasplaatje nodig zijn. Zwevende elektrode

Segerink bedacht een nieuwe elektrodeconfiguratie, waarbij een kanaal wordt geëtst in de glazen wafer. Normaal gesproken wordt daar dan een andere wafer op geplaatst waarop de elektroden gesputterd zijn. Maar in Segerinks oplossing wordt er in de bodem van het microkanaal een soort zwevende elektrode gelegd. Door vervolgens de andere wafer hierop te leggen, ontstaat een homogeen elektrisch veld. Naast deze nieuwe elektrodeconfiguratie is er ook een andere chip ontworpen, die niet alleen de concentratie, maar ook de beweeglijkheid van de zaadcellen kan meten. Daarvoor worden de zwemmende en niet-zwemmende zaadcellen in twee kanalen gescheiden en afzonderlijk geteld. Op deze manier wordt van het zaad ook de beweeglijkheid bepaald, zodat de chip een totaaltest aflevert. Op de methode is in het derde jaar van haar onderzoek patent aangevraagd, en er is een bedrijfje opgericht (Cellanyzer B.V.) dat de ‘fertility chip’ klaar moet stomen voor de markt. Om de stap van het laboratorium naar de keukentafel te kunnen maken, is echter meer onderzoek nodig. Zo moet het hele systeem zo gemakkelijk te bedienen zijn, dat iedereen er thuis mee kan omgaan. Ook moet er nog een eenvoudiger manier worden gevonden om het sperma door de chip te stromen. Tevens kan het chipdesign nog beter, zodat de metingen gevoeliger voor zaadcellen worden. Die optimalisatie zal nog wel enige jaren in beslag nemen. Hoewel Segerink het spannend vindt om toepassingen te bedenken voor de thuismarkt,

25


blijft ze toch onderzoeker aan de Universiteit Twente. “Mijn passie ligt in het wetenschappelijk onderzoek. Bij ons bedrijfje zal ik wel betrokken zijn, maar de commerciële kant moeten mijn collega’s doen. De enorme publieke interesse voor dit soort onderzoek geeft mij in mijn werk extra motivatie: ik heb het idee dat we iets ontwikkelen waar mensen letterlijk op zitten te wachten.”

26



Overige genomineerden

dr. Can Aran dr. Jia Gao dr. Mathieu Odijk dr. Marije Oostindjer dr. ir. Gerard Ros dr. Rebecca Schaefer

27


kandidaat Technologisch toptalent 2012 dr. Can Aran

De buisjes waarin het gebeurt Can Aran en het sleutelen aan een microreactor

“Ik weet niet of ik in de wetenschap wil blijven; ik vind het praktische van het bedrijfsleven ook fijn”

28



Het onderzoek van Can Aran (geboren in 1982 te Istanbul) voegt aan de vele al bestaande manieren om scheikundige reacties uit te voeren een bijzondere toe: een vloeistof stroomt door een buisje, een gas dringt van buiten door de poreuze wand van dat buisje heen, op het binnenoppervlak zit een vaste stof, een katalysator, die ze helpt met elkaar te reageren. Een microreactor heet zoiets, omdat de binnendoorsnede van het kanaal nog geen millimeter is. Microkanalen maken. Dat was de opdracht die Can Aran kreeg toen hij, na een studie chemische technologie in Istanbul en Aken, als promovendus begon aan de Universiteit Twente. “Het nieuwe was, dat we met een anorganisch poreus kanaal werkten: membraantechnologie. Tot dan toe waren er wel microreactoren, maar die werkten doorgaans volgens een ‘gesloten kanaal’-systeem: vloeistof en gas stroomden samen door het kanaal. En er werden wel reactoren met poreuze wanden gemaakt, maar die waren dan weer veel groter, zeven of tien millimeter diameter.” Zowel de poreuze wand als de verkleining van de reactor dragen bij aan de efficiëntie waarmee je twee stoffen in contact brengt. “Bij een buis van een millimeter doorsnee in plaats van tien millimeter is er voor een zekere hoeveelheid vloeistof naar verhouding veel meer oppervlakte ter beschikking voor de reactie. Wat ook prettig is aan zulke kleine reactoren, is dat ze weinig ruimte innemen. Een onderzoeker die ze in een laboratorium gebruikt, heeft weinig plaats nodig en weinig chemicaliën.” Toch kun je microreactoren ook voor de productie van grotere hoeveelheden chemicaliën gebruiken: door grote aantallen parallel te zetten. Dat is misschien niet altijd de efficiëntste methode, maar het “opschalen” vereist geen nieuw onderzoek

29


– je hoeft alleen het aantal microreactoren te verhogen, en klaar ben je. Een samenstel van microreactoren is ook veiliger dan een grote installatie: als een gebruikte stof of reactieproduct explodeert in zo’n poreus buisje, dan is het maar een heel klein, ongevaarlijk plofje. Recept voor een microreactor

Het recept voor een microreactor is als volgt, legt Aran uit: “We nemen een anorganische, poreuze buis. We brengen een vloeistof op de binnenkant aan en doen hem in de oven. Na een dag hebben we dan een keramische coating aan de binnenkant, met microscopisch kleine kanaaltjes waardoor het gas binnen kan stromen en bij gebruik over een heel grote oppervlakte in contact kan komen met de vloeistof. Dan brengen we een vloeistof in waarin de katalysator zit, en gaat hij weer in de oven, een halve dag.” Dat soort buisjes was al eerder gemaakt, maar er was een probleem: gas wilde best door de poreuze buis en door de keramische coating naar binnen stromen, maar de vloeistof drong ook gemakkelijk de poreuze wand in, en versperde het gas de weg. De gebruikelijke oplossingen hadden allemaal zo hun nadelen: kleinere kanaaltjes blokkeerden de vloeistof, maar dan wilde het gas er ook maar moeizaam door. Hoge gasdruk zorgde ervoor dat de vloeistof de kanaaltjes uit werd gedrukt, maar dat vroeg weer extra apparatuur: pompen om voor die druk te zorgen en sensors om de druk te meten en constant te houden. In plaats daarvan paste Aran een extra bereidingsstap toe: de binnenkant van het buisje, met zijn poreuze coating, kreeg een extra laagje dat waterafstotend was. Dat dwingt de vloeistof om in het buisje te blijven, terwijl die vloeistof toch via de vele kanaaltjes waar hij vlakbij stroomt in contact kan komen met de katalysator en het gas.

Praktische problemen

Een ander onderdeel van Arans onderzoek betrof eveneens microreactoren in de vorm van buisjes, maar dan met holle vezels van roestvrij staal. “Toen we die gingen testen, vonden we iets bijzonders: alleen al de aanwezigheid van het ijzer op die vezels bevorderde sommige chemische reacties, nog zonder dat we een katalysator hadden aangebracht.” Daar rolde een interessante publicatie uit, maar het is nog onduidelijk welke praktische toepassingen de ontdekking zou kunnen hebben. Hetzelfde geldt voor werk aan een ander soort microreactoren: niet in buisjes, maar in een plat vlak. “Het voordeel daarvan is, dat je erbij kunt. Je kunt er bijvoorbeeld licht op laten schijnen. En je kunt in dat platte vlak verschillende kanalen maken waarin vloeistoffen stromen die je op een bepaald moment in het proces samen laat komen. Dat is veel moeilijker bij buisjes.” Maar bij de platte microreactoren kwamen nogal wat praktische problemen kijken. “Dan deed je de laatste stap, het bakken in de oven op meer dan duizend graden, en dan kwamen ze er gebogen uit – het waren net aardappelchips. Dus in de praktijk bleek die techniek niet zo bruikbaar.” Die platte reactoren vormen het laatste hoofdstuk in het proefschrift, maar eigenlijk was dat waar Arans onderzoek mee begon. Dat maakte zijn eerste jaar niet gemakkelijk. Nu kan hij erom lachen: “Aan het eind van mijn eerste jaar had ik niets dat ik kon gebruiken. Dat was natuurlijk een bittere pil. Maar iedereen zegt dat het erbij hoort.” Aan het eind van het project probeerde hij het toch nog een keer met de platte microreactoren. “Ik wilde een wat ingewikkelder reactie doen met membraantechnologie, gekatalyseerd door licht.

30


Dat had nog nooit iemand gedaan op onze manier. En door een andere ondergrond te nemen, kreeg ik het dit keer voor elkaar.” Na het afronden van het onderzoek bleef Aran in Twente, waar hij werkt aan een project over waterzuivering. “Ik zit nog steeds in de keramische materialen, maar nu met een andere toepassing. Dat verbreedt de blik, daar ben ik blij mee. Ook omdat het een multinationaal project is, Europees gefinancierd, met veel partners. Dus er zit ook wat management bij, ik vind het goed dat ik daar dan ook weer wat ervaring mee op kan doen.” Met die ervaring wil hij over niet al te lange tijd verder kijken. “Ik weet niet of ik altijd in de wetenschap wil blijven, ik vind het praktische van het bedrijfsleven ook fijn.”


31


kandidaat Technologisch toptalent 2012 dr. Jia Gao

Nanobuizen met inhoud

Jia Gao onderzocht de bijzondere eigenschappen van koolstofnanobuisjes

“Hoe kun je nanobuisjes in de echte wereld gebruiken?”

32



Het promotieonderzoek van Jia Gao (geboren in 1981 in de provincie Heilongjiang, China) aan de Rijksuniversiteit Groningen behelsde de bijzondere eigenschappen van een van de gewoonste stoffen die er zijn, koolstof. Maar dan wel in een uitzonderlijke vorm: koolstofbuisjes van maar een paar moleculen in diameter. Of juist koolstofbuisjes die zelf in lange slierten om andere moleculen gewikkeld zitten. Deze bijzondere vormen zijn pas de afgelopen jaren ontdekt, en onderwerp van veel onderzoek. Een koolstofbuisje heeft een diameter van ongeveer een miljardste meter, een nanometer. Vandaar de naam: koolstofnanobuis. De eigenschappen van koolstofnanobuisjes zijn heel breed: ze kunnen licht uitzenden of een elektrische stroom schakelen. Ze zijn daarmee veelbelovende opvolgers van de elektronische onderdelen die nu nog in silicium op chips worden gefabriceerd. Koolstofnanobuisjes zijn een factor twintig kleiner dan de bestaande schakelingen in chips. “Toen ik in 2007 in Groningen kwam, op het Zernike Instituut voor Geavanceerde Materialen, was mijn belangrijkste opdracht om deze stoffen te onderzoeken met allerlei methoden, waaronder spectroscopie – het analyseren van het uitgezonden licht”, zegt Gao. “Ik vond het prettig dat ik dat zou leren, het is een heel belangrijk gereedschap voor veel onderzoeksterreinen.” Gao begon zijn promotieonderzoek in Hongkong. Hij werkte daar twee jaar lang aan zijn promotie, maar besloot toen ontslag te nemen en naar Groningen te gaan. “Het ging op zich wel goed, ik had twee publicaties, maar ik had het niet naar mijn zin.” Toch was die periode essentieel voor een overstap naar een wetenschappelijke carrière in het

33


westen, denkt Gao. Hij studeerde materiaalkunde aan de universiteit van Jilin en daarna aan het Changchun Instituut voor Toegepaste Scheikunde, waar hij in 2005 zijn master haalde. “In China werd je wel aangemoedigd om westerse leerboeken te gebruiken, maar de colleges waren allemaal in het Chinees. In Hongkong waren ze in het Engels, daar is mijn Engels enorm van verbeterd. Toen ik in Nederland kwam, was het zelfs wat beter dan van de gemiddelde student.” Behalve Nederlandse en Chinese accenten waren er in zijn Groningse werkkamer nog veel meer te horen tijdens skypeconferenties met medewerkers in allerlei landen. De nanobuisjes kwamen uit Italië, en voor een deel van het onderzoek werkte Gao samen met een groep onderzoekers uit Brazilië die hij op een conferentie had ontmoet. Appels en peren

“Het is appels en peren vergelijken”, zegt hij over de twee richtingen waarin zijn onderzoek ging. Eerst boog hij zich over ‘erwtenpeulen’: nanobuisjes waar moleculen van een andere stof binnen zijn geraakt. De stoffen die hij daarvoor koos, hebben een bijzondere eigenschap: als je ze met licht beschijnt, gaan ze zelf ook licht uitzenden van een typerende frequentie. Dat deden de nanobuizen met quaterthiofeen (kortweg 4T), quinquethiofeen (5T) en sexithiofeen (6T) ook. De kleur van dat licht was niet precies hetzelfde als wanneer die stoffen vrij in oplossing worden beschenen. Die lichtkleur zegt iets over de band die er bestaat – uitwisseling van energie, technisch gesproken – tussen de nanobuis en zijn passagiers. Ook op andere manieren probeerde Gao zo veel mogelijk te weten te komen over het gedrag van de combinatie. Zo vond hij door middel van elektronenmicroscopie uit, dat de thiofeen-

moleculen zich niet op willekeurige plekken in de buis bevinden, en ook niet op een rijtje precies in het midden, allebei voor de hand liggende mogelijkheden, maar in twee nette rijtjes naast elkaar, elk dicht bij de wand. Ook dat duidt op een koppeling tussen de nanobuis en zijn inhoud. Die koppeling heeft invloed heeft op de manier waarop zo’n buisje energie kan opnemen uit elektriciteit of licht, en dat is weer bepalend voor de vraag of het als een elektronisch onderdeel te gebruiken is. Wat voor onderdeel dat zou moeten zijn, is voor erwtenpeulen nog niet zo duidelijk. Wel voor de andere soort die Gao onderzocht, de omwikkelde nanobuizen. Voor dat omwikkelen gebruikte hij verschillende polyfluorenen, chemische verbindingen van koolstof en waterstof. De omwikkelde nanobuizen liet hij als dunne film neerslaan, waarna hij de elektrische eigenschappen van die film onderzocht. Het bleek mogelijk te zijn om op die manier een veldeffecttransistor te maken, de meest voorkomende schakeling op hedendaagse chips. “Dat je met een nanobuis zo’n transistor kunt maken, was al wel bekend”, zegt Gao. “Maar het bestaande onderzoek richt zich vaak op een enkel buisje. In een laboratoriumsetting zie je dan altijd fantastische eigenschappen. Maar het probleem is: hoe kun je nanobuisjes onderdeel maken van een systeem dat in de echte wereld gebruikt kan worden? Daar zijn anderen in de groep nog mee bezig. De vooruitzichten om de prestaties van zulke transistoren te verbeteren, zijn erg goed.” Gao is na zijn promotie in Groningen naar Princeton gegaan. Daar werkt hij niet meer aan nanobuizen, maar aan smalle stroken koolstof van 50 nanometer breed en maar één atoom dik: grafeen nanolinten. “Die hebben veel eigen-

schappen die we nog niet kennen. Ik heb een contract voor een jaar, misschien worden het er twee. Of ik naar China terugga of niet, hangt er maar net van af. Ik richt me op een interessant onderzoeksgebied, niet op een land.”

34



35


kandidaat Technologisch toptalent 2012 dr. Mathieu Odijk

Een lever nagebouwd in een chip

Mathieu Odijk werkte aan een lab op een chip dat medicijnen test op veiligheid

“Ik wilde graag iets praktisch bereiken; daarvoor moest ik wel de theorie induiken”

36



Mathieu Odijk (geboren in 1981 te Enkhuizen) ontwikkelde tijdens zijn promotie aan de Universiteit Twente een miniatuurlaboratorium dat medicijnen verteert – een soort kunstmatige lever. Odijk verrichtte zijn onderzoek aan de vakgroep Biochemical and Environmental Sensorsystems (BIOS). Dat hij ‘techneut’ zou worden, was al heel vroeg duidelijk, vertelt hij. “Van jongs af aan was ik altijd dingen aan het slopen. In het begin ging ik dan naar mijn vader, die zette het weer in elkaar. En vrij snel was ik daar zelf ook mee bezig, ik was bij wijze van spreken meer tijd kwijt met het in en uit elkaar halen van speelgoed dan ermee spelen. Ik was ook een grote fan van Lego. En als je me vroeg wat ik wilde worden, zei ik: ‘uitvinder’.” Een studie elektrotechniek aan de Universiteit Twente paste daar goed bij. Maar ambitie om daarna door te gaan in wetenschappelijk onderzoek had Odijk niet direct. “Dat is pas veranderd tijdens mijn stage, bij het IMEC in België, een instituut in Leuven waar ze naast heel veel andere dingen werkten aan organische zonnecellen, gemaakt van geleidende plastics. Wat bij mij heel sterk geldt is: als ik een boek moet doorwerken, met droge stof die niet direct een toepassing heeft, dan heb ik daar redelijk wat moeite mee. Maar als je me een probleem voorlegt waarvoor een bedrijf een oplossing zoekt, en ik moet daarvoor de kwantummechanica bestuderen, dan gaat het opeens een stuk beter. Dat was ook het geval bij mijn promotieonderzoek: omdat ik iets praktisch wilde bereiken, moest ik de theorie induiken.” De opdracht waarmee Odijk zijn onderzoek begon was: een ‘laboratorium op een chip’ ontwerpen waarmee nieuwe medicijnen kunnen worden getest op veiligheid voor de mens.

37


“De bestaande methode is ruwweg: levercellen kapot hakken, in een bekerglas, het medicijn erbij en dan kijken wat de reactieproducten zijn. Die producten kunnen giftig zijn, of juist actief op de manier waarop je wilt: heel vaak werken medicijnen via hun afbraakproducten.” Leren van fouten

Wat de lever eigenlijk doet met de moleculen die hij via het bloed aangeboden krijgt, is een oxidatiereactie: een molecuul van het medicijn raakt een elektron kwijt aan een enzym in de lever, waarbij het uiteen kan vallen in diverse fragmenten. Het is chemie waar elektriciteit een centrale rol in speelt, en dat betekent dat je die ook met elektriciteit kunt opwekken en sturen. Dat is het principe van dit specifieke ‘lab op een chip’: twee elektroden waartussen een elektrische spanning staat, en een in- en uitgang voor vloeistof voor de te bewerken of te onderzoeken chemische stof. Voorgangers van Odijk hadden dat al geprobeerd, maar niet met veel succes. “Hun chip werkte niet goed, maar dat ik van hun fouten heb kunnen leren, heeft me wel een enorme voorsprong gegeven. De uitdaging was de efficiëntie goed houden. De reacties vinden plaats aan het oppervlak van een van de elektroden, de werkelektrode, die elektronen afvoert. Je wilt dat je stof zo veel mogelijk met die elektrode in contact komt. Met andere woorden: de verhouding tussen oppervlakte en volume moet zo gunstig mogelijk zijn. Daar was veel aandacht aan besteed. Maar bij een elektrisch systeem werk je altijd met een gesloten kring. Je kunt die ene elektrode waar de reacties moeten gebeuren helemaal optimaal maken, maar de andere elektrode moet de stroom goed afvoeren. Daar was niet zoveel aandacht aan besteed, die was veel te klein gemaakt.”

Nog een probleem met die stroomafvoerelektrode kan zijn dat daar de omstandigheden omgekeerd zijn van die bij de werkelektrode, en dat daar dus ook de omgekeerde chemische reacties plaatsvinden. Stoffen die bij de ene elektrode ontstaan, verdwijnen dan weer bij de andere, en per saldo doet de chip dus minder goed zijn werk. Odijk kon dat probleem wegnemen door de vloeistofstroom in de chip te splitsen. Alle elektronen moeten uiteindelijk van de ene elektrode naar de andere reizen, daar zijn de wetten van de natuurkunde onverbiddelijk in, maar ze maken daarvoor gebruik van maar de helft van de vloeistof die door de chip stroomt. De andere helft komt de afvoerelektrode nooit tegen en heeft van die elektrochemische tegenwerking zodoende geen last. Het bedenken en doorvoeren van die verbeteringen ging relatief snel. “Na het lezen van het rapport van mijn voorgangers had ik al heel snel een hypothese waarom hun chip niet werkte. Die hypothese werd inderdaad bij de eerste meting bevestigd, maar daarna heb ik uiteraard nog wel een stuk meer metingen gedaan met die chip om zeker te weten dat ik geen meetfouten maakte. Het proces van het fabriceren van chips is nogal kostbaar, dus je wilt wel zeker zijn van je zaak, voordat je de cleanroom in gaat. Daar maak je de chips, die test je dan weer. Binnen een jaar was dat afgerond. De metingen waren veelbelovend, die toonden aan dat het werkte. En toen was het doel van mijn promotie al na een jaar vrijwel bereikt. Dat gaf mij de kans het in de resterende jaren te verbeteren.” Gevoelige sensor

Naast de chip voor medicijnanalyse maakte Odijk ook een andere chip, waarbij het effect van elektrochemische tegenwerking juist als voordeel wordt ingezet. “Als je de elektroden heel dicht bij elkaar plaatst, dan wordt op de ene elektrode

38


stof a wel omgezet in b, maar op de andere wordt b weer omgezet in a. Een molecuul kan dat wel duizend keer doen in de tijd dat het in de chip is, maar dan zijn er dus ook duizend elektronen die door het circuit stromen en die je kunt meten. Daarmee heb je dus een heel gevoelige sensor voor die stof gemaakt.” Bij een andere verbetering lag een jaar lang de focus op de ‘referentie-elektrode’. Dat is een derde elektrode in de chip, waar een constante spanning wordt afgeleverd die als ijkpunt dient voor de spanningen op de andere elektroden. Omdat de elektrische spanningen bepalend zijn voor welke chemische processen er op die elektroden plaatsvinden, stelt die referentieelektrode je in staat in detail de werking van het ‘lab op een chip’ te beïnvloeden. Maar het is niet de bedoeling dat zich op het oppervlak van de referentie-elektrode weer chemische processen gaan afspelen, en daarom moet het materiaal daarvan met zorg worden gekozen. Tijdens deze fase in het onderzoek zat het even tegen, met het iridiumoxide dat op de omslag van het proefschrift staat. “Ik maakte een dunne laag van iridium op de ondergrond van de chip. Maar die kwam er telkens afzetten, of raakte na een maand los. Dat was vervelend, want ondertussen was ik dan al bezig om daar complete chips van te maken. Kon ik weer terug naar de tekentafel.” Het bleek te komen doordat de machine die de dunne laag neerlegde, de temperatuur van het materiaal niet constant genoeg hield. Een nieuwe machine bracht uitkomst. Maar intussen was Odijk ook al gaan werken met andere materialen, die in theorie minder goed waren, maar wel gemakkelijker te verwerken.


De keuze van het basismateriaal is van groot belang voor de toekomst van laboratoria op chips. Odijk werkt daar nu verder aan in dezelfde vakgroep waar hij promoveerde: “Mijn chips zijn nu grotendeels van glas. Dat is relatief duur, en moeilijk schoon te maken. Een van de plannen die we hebben is, om plastic te gebruiken. We hopen dat chips daardoor zo goedkoop kunnen worden, dat schoonmaken niet meer nodig is: na één test gooi je ze gewoon in de prullenbak.”

39


kandidaat Technologisch toptalent 2012 dr. Marije Oostindjer

Varkensvoer voor de kleintjes

Marije Oostindjer en het ontstressen van biggen

“Als bioloog houd je je niet bezig met de productiekant van veehouderij. Dat geeft een andere blik”

40



Het is een van de stressvolste gebeurtenissen in het korte leven van een mestvarken: het spenen. Daarbij wordt in één klap het dier van de moeder gescheiden, in een nieuwe omgeving gezet en geconfronteerd met een tiental onbekende, eveneens net gespeende biggen. Kan dat niet wat zachtzinniger? Dat onderzocht Marije Oostindjer aan de Wageningen Universiteit. “De eerste paar uur is het biggenleven pure stress”, zegt Marije Oostindjer. “De big belandt in een onbekende omgeving, er wordt gevochten en bovendien moet de big zich neerleggen bij de essentie van het spenen: hij moet opeens vast voer gaan eten.” Dat gaat dus niet meteen goed, en dat kost de boer geld: er gaat voedsel verloren, en een big die minder goed eet, krijgt gemakkelijker gezondheidsproblemen en heeft dan dure antibiotica nodig. Het doel van het onderzoek van Oostindjer (geboren in 1985 te Zeist) was, te kijken of dat spenen niet wat zachtzinniger zou kunnen, ten voordele van zowel de big als de boer. Met name: zouden de biggen al voor het spenen vertrouwd kunnen raken met vast voer? Ze kwam bij dat onderzoek terecht na een studie biologie in Groningen. “Mijn bachelor was in ecologie, maar dat had voor mij iets te weinig te maken met individuele dieren. Mijn master heb ik daarom gedaan op het gebied van gedrag van dieren en mensen, ‘behavioral and cognitive neuroscience’. Na het eerste jaar van mijn master wist ik al zeker dat ik door wilde gaan in het onderzoek.” Ze was bepaald niet de enige sollicitant op die aio-plaats, maar het hielp dat ze bioloog was. Want de ene dieronderzoeker is de andere niet. “Dierwetenschappen werkt vooral vanuit de behoeften van de boer en van het dier, vanuit een managementgerichte manier van denken. Het gaat daar niet zozeer over leren hoe je een

41


koe moet voeren of zoiets, wel om te begrijpen wat een koe of een varken nodig heeft om goed te groeien. Je denkt toch altijd meer vanuit een productiekant. En als bioloog houd je je daar helemaal niet mee bezig.” Dat zo’n bioloog dan juist extra welkom is, vindt ze wel begrijpelijk: “Als je kijkt naar waar veehouderij heen moet in de toekomst, naar hoe er steeds meer gedacht wordt over duurzaamheid, over produceren zonder veel antibiotica, met meer oog voor het dierenwelzijn, dan kun je niet doorgaan zoals het nu is. Over twintig jaar werkt dat niet meer. Dus moet je met nieuwe inspiratie komen. Dan helpt het om iemand ernaar te laten kijken die daar niet al is ingegroeid door eerst vijf jaar onderwijs daar en dan nog onderzoek. Je wilt bijvoorbeeld iemand die het meer vanuit evolutionair oogpunt bekijkt, of vanuit onderzoek naar het gedrag van mensen of dieren.” Snuffelende biggen

Die invalshoek leverde bij gespeende biggen drie mogelijke manieren op waardoor de dieren alvast iets over vast voer zouden kunnen leren: door het zelf te ontdekken in hun omgeving, door het af te kijken van de moeder, of doordat ze wennen aan geurstoffen in vruchtwater of moedermelk. Om te beginnen werd de geurconnectie onderzocht: de biggen moesten snuffelen aan wattenstaafjes met een neutrale geur of met een anijsgeur. In sommige gevallen had de moeder voer gekregen waar die smaak aan was toegevoegd. Herkenden ze die geur, en stapten ze daarna gemakkelijker over op voer dat naar anijs smaakte? Dat de biggen de geur zouden herkennen, stond van tevoren eigenlijk wel vast, zegt Oostindjer. Het werd in de jaren zeventig al aangetoond bij mensen, ratten, honden, kippen en zelfs kikkers.

Maar haar onderzoek leverde nieuwe informatie op, en dat kwam juist doordat het gedaan werd met productieverhoging als doel. Oostindjer: “We kwamen erachter dat de geurstof vooral bij blootstelling vóór de geboorte invloed heeft, het gaat dus niet zozeer via de melk. En wat ook bijzonder was: de biggen die aan anijs gewend waren en daarna anijsvoer kregen, deden het beter na spenen, ze hadden minder gedragsproblemen, minder darmproblemen, en groeiden beter... maar ze vonden de anijs niet lekker, ze hadden voorkeur voor gewoon voer. Dat is niet wat de theorie voorspelt, ze zouden juist dat voer meer moeten eten.” De oplossing van dat raadsel bleek te liggen in een factor die in het onderzoek van Oostindjer centraal stond, maar bij vorige onderzoeken juist zoveel mogelijk was vermeden: stress. “De meeste onderzoeken worden juist in een niet-stressvolle omgeving gedaan. Wat wij nu denken is dat het niet gaat om de geur van het voer, maar gewoon om de bekende geur van de moeder die de biggen al voor de geboorte hebben leren kennen. Als die aanwezig is, heeft de big minder stress en eet hij beter.” De andere twee methoden bleken wel rechtstreeks effectief om biggen alvast vertrouwd te maken met vast voer. Als de inrichting van de stal werd veranderd, zodat de biggen erbij konden zijn als de zeug at, dan deden ze het zelf na het spenen beter. Dat was zelfs al het geval als ze in die periode niet bij haar eten konden komen en dus alleen maar mochten toekijken. Ook het opgroeien in een hok met allerlei dingen om op te kauwen en in te wroeten was bevorderlijk voor het overschakelen op vast voer.

Een belangrijke vraag bij toegepast onderzoek

is: heeft de boer er iets aan? De intensieve varkenshouderij in Nederland heeft waarschijnlijk al zoveel variaties in het huisvesten en spenen uitgeprobeerd, dat het in in ieder geval puur financieel bekeken niet beter meer kan. Maar volgens Oostindjer is het de vraag of de huidige praktijk in dat opzicht nog optimaal is. “Veel boerderijen hebben oudere stallen, uit een tijdperk dat de zeug nog maar elf biggetjes kreeg. Dat is inmiddels door selectie omhoog gegaan naar dertien of veertien. Dan ligt de zeug in een hok waarbij sommige biggetjes er niet goed meer bij kunnen.” Niettemin zijn niet alle verbeteringen vanuit biggenstandpunt verbeteringen voor de boer. “Verrijking van de omgeving is in bestaande stallen helemaal niet handig. Er komt stro in de mestgang, de afvoeren raken verstopt. En de zeug staat normaal tussen twee hekken, zodat de boer biggen gemakkelijk kan pakken zonder dat de zeug boos op hem wordt. Toen wij een zeug los gingen gebruiken, hadden veel boeren toch zoiets van: ‘ik weet niet of ik dat wel wil’. Maar het bleek mee te vallen. Je kunt het hok er ook op aanpassen, bijvoorbeeld met een apart hoekje waarin biggen kunnen slapen en waar je ze kunt pakken.” In de proefboerderij van de universiteit in Sterksel worden de resultaten van Oostindjers onderzoek nu omgezet in voor boeren bruikbare methoden. In een al lopend project om nieuwe kraamhokken voor zeugen te ontwerpen, wordt nu ook rekening gehouden met het samen de omgeving verkennen door de biggen en het samen eten van biggen en zeug. En een van de cofinanciers van het onderzoek, Nutreco, is in Spanje bezig met het invoeren van biggenvoer met dezelfde geur- en smaakstoffen als het zeugvoer, in samenwerking met een andere cofinancier, Lucta.

42


Nut voor de boer


Zelf verdiept Oostindjer zich nu in strategieën om mensen gezonder te laten eten, bij de Norwegian University of Life Science in Ås. Kennis van dieronderzoek is op dat terrein ook heel nuttig. “Dat kan zowel door het veranderen van consumentengedrag zijn, als door het veranderen van voedselproducten. We kijken hoe bepaalde voeding effect heeft op eetgedrag. Waarom mensen iets eten, waarom ze die hoeveelheid eten. Dat onderwerp staat wereldwijd in belangstelling. Noorwegen kent – net als elk Eurpopees land – een trend naar overgewicht. Het is hetzelfde patroon als in de VS 20 à 30 jaar geleden.”

43


kandidaat Technologisch toptalent 2012 dr.ir. Gerard Ros

Op het spoor van de stikstof

Gerard Ros onderzocht hoe bemesting efficiënter én milieuvriendelijker kan

“Dat spreekt mij aan: met wetenschappelijk onderzoek praktisch advies geven”

44



Elk jaar vindt op elke akker, op elk weiland een scheiding der geesten plaats. De planten weten precies hoeveel stikstof ze nodig hebben, de boer moet er maar naar raden. Hij rijdt mest uit of strooit kunstmest, en het gras of de aardappels nemen wat ze nodig hebben en laten de rest wegstromen met het regenwater, de sloot in. Of ze komen tekort en bieden geen optimale opbrengst. Gerard Ros bestudeerde vier jaar lang hoe boeren meer greep op de stikstofhuishouding kunnen krijgen. Gerard Ros (geboren in 1980 te Zwolle) begon in 2007 met zijn onderzoek aan de Wageningen Universiteit. Dat hij de kwestie rond de stikstofhuishouding heeft opgelost, zou opschepperij zijn. Maar het is nu een stuk duidelijker hoe je aan proeven met grondmonsters kunt zien hoeveel van de stikstof die ze bevatten chemisch vastgebakken zit en hoeveel door planten kan worden opgenomen. En het is een beetje duidelijker wat de relatie is tussen proeven in het laboratorium en wat er werkelijk gebeurt in de bodem. “Ik werd altijd heel erg getrokken door geologie en geografie, het ontstaan van de aarde, aardlagen en alles wat daarin gebeurt. Zo ben ik ook in Wageningen begonnen, met een studie ‘Bodem, water en atmosfeer’, over processen op aarde. Ik wist wel direct: dan wil ik naar de bodem toe. Inhoudelijk, maar ook omdat je dan in heel Europa op excursie ging, overal kijken.” In Wageningen was natuurlijk vooral belangstelling voor hoe die geologie leidt tot landschappen en tot bodemvorming. Ros: “Dat zijn voor een deel abiotische processen, maar ook biologische. Uiteindelijk leven we daar allemaal van. En zo ben ik er geleidelijk in gerold. Uiteindelijk heb ik gekozen voor de specialisatie bodemvruchtbaarheid & plantenvoeding. Daar zat ook een idealistische kant aan: ik wilde de wereld verbeteren; duur-

45


zame landbouw was daar een middel toe.” Betrouwbaar voorspellen

De test die Ros ontwikkelde, zou de capaciteit van de bodem moeten kunnen voorspellen om stikstof aan de plant te leveren. Er zijn de afgelopen vijftig jaar tientallen van deze bodemtesten ontwikkeld, maar het was niet duidelijk welke methode een betrouwbare voorspelling kan geven die ook nut heeft voor de praktijk. Bodemvruchtbaarheidstesten karakteriseren de kwaliteit van de organische stikstof in de grond via een extractietechniek. Hierbij worden specifieke vormen van stikstof uit de grond losgemaakt – juist die vormen die beschikbaar zijn voor het bodemleven. Het bodemleven transformeert deze vormen van stikstof in het voor planten beschikbare ammonium en nitraat. Ros: “De eenvoudigste en betrouwbaarste manier om dit te meten, is een bakje grond te nemen en na een aantal weken meten hoeveel ammonium en nitraat door het bodemleven is gevormd. Maar tegen de tijd dat je het antwoord weet, is het te laat voor de boer om zijn bemesting hierop af te stemmen.” En dus zijn er snellere chemische testen, bijvoorbeeld de in Nederland veel gebruikte test waarbij een calciumchlorideoplossing aan de grond wordt toegevoegd. Het probleem is: al die verschillende testen geven heel verschillende waarden voor de hoeveelheid beschikbare stikstof, meestal ook nog in verschillende moleculaire vorm. Dat betekent niet dat ze fout zijn, maar dat ze allemaal eigenlijk net iets anders meten. De vraag is: welke test levert voor de boer het bruikbaarste resultaat op? Als onderdeel van zijn onderzoek combineerde Ros publicaties over honderden verschillende bodemonderzoeken en combineerde die gegevens in een meta-analyse. “Over de calciumchloridebodemtest heb je bijvoorbeeld tweehonderd

studies. Honderd verhalen zijn positief, honderd zijn negatief. Daar kan de meta-analyse grip op krijgen. Van elke studie neem je mee hoe lang het experiment duurde, hoe betrouwbaar de gegevens zijn, met welke bodemsoorten het experiment is uitgevoerd, enzovoort.” De calciumchloridetest kwam als een van de beste uit de bus, maar veel andere testen zijn ook bruikbaar: “De helft van alle bodemtesten die in het verleden zijn ontwikkeld, zijn allemaal eigenlijk even goed.” Die uitkomst betekent echter ook, dat je de juiste bodemtest niet alleen kunt kiezen op basis van statistiek: je moet in detail weten wat zo’n test doet met de stikstof in de bodem. Welke vormen van stikstof worden vrijgemaakt, welk mechanisme zit daar achter, en lijkt dit mechanisme op de processen die in de natuur de stikstof vrijmaken zodat planten ze kunnen gebruiken? Daarover was nog maar weinig bekend.

Maar zelfs met die voorzorg blijft het een middel met beperkingen. “Uit mijn onderzoek is duidelijk geworden dat een chemische bodemtest alleen kan voorspellen wat er onder optimale omstandigheden gebeurt. Maar daarna moet je nog een vertaalslag maken naar wat er in werkelijkheid buiten in het veld gebeurt: is het een warm seizoen, kun je corrigeren voor allerlei weersinvloeden? De bodem analyseren in maart en dan precies voorspellen wat er in het veld gedurende het groeiseizoen gebeurt, dat gaat nooit lukken. Tenzij we het weer voor de komende maanden goed kunnen voorspellen…” Duurzame oplossingen

In het tweede jaar van zijn promotie ging Ros zich hierop richten. Hij voegde plantenresten aan de bodem toe van planten die tijdens de groei stikstof hadden kregen met een ander atoomgewicht dan gebruikelijk. Aan de hand van dit stikstofisotoop kon hij volgen waar de stikstof in de bodem terechtkwam en hoe snel het werd omgezet in voor de plant beschikbare vorm. “Het was maar een eerste poging, maar het heeft veel inzicht opgeleverd.” Een van de conclusies uit dit onderzoek is, dat de meest bodemtesten de totale hoeveelheid organisch stikstof in de bodem reflecteren en niet noodzakelijk de stikstof die voor de plant beschikbaar komt. Daarnaast werd duidelijk dat een bodemtest de capaciteit van de bodem om stikstof te leveren niet nauwkeurig kan voorspellen als er nog maar kort geleden bemest is. Dit betekent dat de beschikbaarheid van stikstof via de bodem en die via dierlijke mest niet via één test te meten zijn.

Inmiddels werkt Ros bij het Nutriënten Management Instituut, een toepassingsgericht onderzoeks- en adviesbureau voor de bodem in de groene ruimte. In zijn werk komt de kennis van de processen in de bodem, de daarin aanwezige nutriënten, en de agrarische teeltsystemen samen in duurzame oplossingen voor bodemgebruik- en beheer. Via de samenwerking met het bodem- en gewaslaboratorium BLGG AgroXpertus worden de resultaten uit zijn proefschrift toegepast in stikstofadviezen die boeren krijgen om hun gewassen te bemesten. “De basale dingen die ik heb onderzocht, zijn nu geïmplementeerd. Het wordt nog continu verfijnd in de richting van een perceelspecifiek en weersafhankelijk bemestingsadvies. Ik meet nu een bodemmonster, analyseer het en zeg bijvoorbeeld: in dit seizoen kan er per hectare circa honderd kilogram stikstof beschikbaar komen uit de bodem. Maar nu willen we nog kunnen voorspellen hoe dat gedurende het hele groeiseizoen beschikbaar komt. Uiteindelijk wil je, simpel gezegd, vraag en aanbod op elkaar afstemmen.” Een stap die daarna nog weer nodig is, en zeker niet de gemakkelijkste: het stimuleren van boeren dat ze hun bemesting afstemmen op de natuurlijke bodemvruchtbaarheid. Want een rijke

46


Vertaalslag


bodem die van zichzelf al veel stikstof levert, hoef je minder mest te geven dan een arme bodem die weinig stikstof levert. Ros: “De kosten van een advies zijn niks in vergelijking met de prijs van de kunstmest die je op een bedrijf gaat geven. Maar je hebt ook te maken met de gangbare praktijk, je kunt niet zomaar een geschiedenis van twintig of dertig jaar tenietdoen.” Daarvoor zijn er demonstratieprojecten en adviseurs die op bedrijfsniveau het “nutriëntenmanagement” doorrekenen. De adviezen die Ros heeft ontwikkeld, worden dan concreet toegepast bij de boer aan tafel. De steeds strengere milieunormen zullen boeren ook vanzelf dwingen zo zuinig mogelijk met hun stikstof om te gaan. “De hele agrarische sector staat voor grote uitdagingen: nu wordt nog maar 50 tot 80 procent van de nutriënten opgenomen, de rest verdwijnt in het milieu.”

47


Het ideaal is uiteindelijk een dynamisch advies waarbij vraag en aanbod op elkaar worden afgestemd. En ook hier is communicatie cruciaal: “Je moet de taal van de boer spreken. Die wil weten hoeveel – en welke – kunstmest er nu in zijn trekker moet. Dat spreekt mij erg aan: met wetenschappelijk onderzoek heel praktisch advies te kunnen geven. En zo de agrarische sector verduurzamen.”

kandidaat Technologisch toptalent 2012 dr. Rebecca Schaefer

Het oor van de hersenen meten

Rebecca Schaefer wilde weten hoe onze hersenen reageren op muziek

“Wat me motiveert, is dat de kennis die we hier opdoen straks beschikbaar is voor patiënten”

48



Welke activiteit vertonen de hersenen bij het waarnemen en het je voorstellen van muziek? En kun je die kennis wellicht gebruiken om een brain-computer interface (BCI) te ontwikkelen, waar mensen met een zware handicap mee kunnen communiceren of de computer kunnen besturen? Met deze vragen begon Rebecca Saskia Schaefer in 2005 aan haar promotieonderzoek. Rebecca Schaefer (geboren in 1976 te Amsterdam) is al sinds haar jeugd gefascineerd door het menselijke brein. Ze studeerde in 2003 af in de psychologie in Amsterdam en specialiseerde zich op klinische neuropsychologie. Daarna maakte ze een in die tijd zeer ongebruikelijke combinatie: neuropsychologie en muziek. Schaefer: “Muziek is mijn tweede grote passie. Ik wilde weten hoe de activiteit van de hersenen is bij het waarnemen en het je voorstellen van muziek, en of je die kennis wellicht kunt gebruiken om patiënten te helpen. Ik heb toen doelbewust gezocht waar ik in Europa een masteropleiding in muziekcognitie kon doen, en belandde in Engeland.” In 2004 was ze klaar met haar master, en kreeg de gelegenheid om in Chicago haar werk op een conferentie te presenteren. “Ik was zo enorm enthousiast over al die onderzoekers in mijn favoriete vakgebied, dat ik absoluut wilde promoveren!” Het zoeken naar een geschikte onderzoeksplek duurde een jaar. Ze gebruikte die tijd om verdiepende colleges te volgen, onder meer over technieken voor metingen aan de hersenen zoals EEG’s. Daarna kwam ze terecht op een onderzoeksprogramma aan het Instituut voor Hersenen, Cognitie en Gedrag van de Radboud Universiteit Nijmegen. Het doel was, een braincomputer interface (BCI) te ontwikkelen, waar

49


mensen met een zware handicap – bijvoorbeeld verlamming – mee zouden kunnen communiceren of de computer zouden kunnen besturen. Schaefer: “BCI is een heel interdisciplinair onderzoeksgebied. Je wilt hersensignalen gebruiken die je bijvoorbeeld meet in een EEG, om iets te kunnen zeggen over de intentie van iemand. Muziek lijkt hiervoor bij uitstek geschikt, omdat die zich ontvouwt over de tijd. Met een EEG meet je heel precies de hersenactiviteit in tijd. Dus het was mijn uitdaging om de hersensignalen zo te ontcijferen, dat we ze kunnen begrijpen. Het moeilijke hieraan is alleen dat iedereen anders is, en hersensignalen ook nog eens bij dezelfde persoon sterk kunnen variëren, bijvoorbeeld door de bui waarin iemand is, of doordat iemand net op dat moment hongerig is.” De invloed van ritme

In het eerste jaar werd een meetopstelling gemaakt die de hersenactiviteit in een EEG registreert bij het horen van een metronoom. Het bleek dat de hersenen een monotoon tikkend signaal automatisch ordenen. Schaefer: “We zagen dat verschillende ritmische tikjes anders worden gestructureerd. Mensen gaan bijvoorbeeld door het zogenoemde klokeffect een reeks tikken waarnemen als tikjes met en zonder accent. Ze horen ‘tik’ en ‘tok’. Je kunt die verschillende interpretaties meten. Wij konden laten zien dat het brein een ander signaal toont voor verschillende ritmes van de tikken. Dat was nog niet eerder aangetoond.” Tegelijk met de eerste eigen metingen ging Schaefer ook de meetgegevens van een onderzoeksgroep van de universiteit van Stanford analyseren. Die onderzoekers wilden oorspronkelijk kijken of het mogelijk is om toonhoogtes te classificeren, maar dat werkte slecht. Schaefer: “Het probleem is, dat zij de absolute toonhoogte

wilden meten. Maar daarmee kom je niet ver, aangezien in muziek vooral veel relatieve verschillen belangrijk zijn. Wij gingen de data heel anders analyseren.” Het vernieuwende van Schaefers analyse was dat ze keek hoeveel specifieke muzikale aspecten bijdragen aan het gemeten signaal. De uitkomst was verrassend: ritme heeft een veel grotere invloed op de EEG-signalen dan de toonhoogte. En daar hadden de onderzoekers in Stanford niet naar gekeken. Het effect blijkt zowel voor te komen als iemand naar muziek luistert, als wanneer iemand zich een melodie voorstelt. Schaefer: “Dat was een prachtig resultaat, aangezien het paste bij het eerdere onderzoek naar het klokeffect. Later zijn we naar complexere muziek gaan kijken. Het bleek mogelijk om op basis van hersensignalen te detecteren welk stukje muziek iemand hoort. We maakten een opstelling, waarbij proefpersonen uit zeven muziekfragmenten konden kiezen. Door de analyse van de EEG-signalen konden we in bijna driekwart van de gevallen voorspellen welk muziekfragment iemand beluisterde.” Hoe iemand muziek interpreteert, blijkt van veel factoren af te hangen: bijvoorbeeld of iemand een muzikale achtergrond heeft of niet. Een professioneel musicus heeft een ander hersenpatroon dan mensen zonder muzikale training. “Muziek heeft allerlei aspecten: syntax, harmonie, ritme, emotionele verwerking en geheugen. Het is te vergelijken met taal. Je kunt aan de hersensignalen zien of mensen een muzikale training hebben gehad. Bepaalde opeenvolging van akkoorden vinden ze dan bijvoorbeeld ongebruikelijk, of je ziet dat ze de structuur van muziek begrijpen.”

50


Kennis in de praktijk

In de laatste jaren van haar promotieonderzoek lukte het om de verschillende metingen met elkaar te combineren. “Soms had ik het gevoel dat ik het overzicht verloor, maar achteraf gezien trekt je eigen interesse het toch in een goede richting. Toen ik begon met de analyse van muziek en signaalverwerking van de hersenen was ik beginner, en dat voel ik nu zeker niet meer zo.” Inmiddels werkt Schaefer dankzij een Europese onderzoeksbeurs aan het Institute for Music in Human and Social Development (IMHSD) van de universiteit van Edinburgh. Ze kan nu de kennis uit haar promotieonderzoek in de praktijk omzetten, door te kijken hoe je metingen aan de hersenen tijdens muziekperceptie kunt gebruiken voor bewegingsrevalidatie. “Dit was het eigenlijke doel van mijn promotieonderzoek, maar aan de toepassing ben ik tijdens mijn onderzoek niet toegekomen. Ik ben ben nu allerlei nieuwe dingen aan het leren, zoals functionele magnetische resonantie, waarmee je activiteit van de hersenen zichtbaar kunt maken in een driedimensionaal beeld. Ook houd ik me bezig met motion caption door middel van camera’s, waarmee je precies allerlei aspecten van beweging kunt meten. In het onderzoek werk ik met gezonde proefpersonen. Ik wil weten hoe het bewegen op een muzikaal ritme voor gezonde personen werkt. Het bevalt me goed dat dit instituut een erg praktische inslag heeft – het gaat om muziek, maar dan in een klinische context. Wat me motiveert, is dat de kennis die we hier opdoen straks beschikbaar is voor patiënten.”


51


Colofon

Technologiestichting STW Postadres

Postbus 3021 3502 GA Utrecht The Netherlands

Bezoekadres

Van Vollenhovenlaan 661 3527 JP Utrecht T +31 (0)30 600 12 11 F +31 (0)30 601 44 08 E [email protected]

www.stw.nl

Interviews

STW-nummer

2012/10440/STW

Redactie

ISBN-nummer

978-90-73461-78-9

NUR

Eindredactie en productie

950

Drs. Bas den Hond Dr. Sybe Rispens Drs. Huub Eggen, STW Drs. Mans Kuipers Astrid van der Stroom, STW

Ontwerp en realisatie

Room for ID’s, Nieuwegein

Fotografie

Ivar Pel, Utrecht Reed Bussines

Drukwerk

52


Zwaan printmedia, Wormerveer


www.stw.nl

Simon Stevin Gezel. Nr. 08 Technologisch Toptalent oktober 2012 Technologiestichting STW

Recommend Documents