Nano – Scheikundejongens

Nanotechnologie is ook gewoon scheikunde

Deze column verscheen gister op Kennislink.

Sinds een decennium of wat is nanotechnologie hartstikke hip. Volgens definities betreft nanotechnologie alle wetenschap die sleutelt aan materialen waarbij één of meerdere dimensies tussen 1 en 100 nanometer liggen. Een nanometer (nm) is een miljoenste millimeter. Bij het maken van nanomaterialen komt vaak scheikunde kijken, terwijl we voor het verklaren van de eigenschappen juist natuurkunde nodig hebben. Maar nanotechnologie is zo verweven in allerlei natuurwetenschappen dat het zich lastig laat indelen in klassieke termen als natuur- en scheikunde. Om die reden wordt nanotechnologie ook wel een vakgebied op zich genoemd.

Het speciale aan de nanomaterialen is dat hun eigenschappen niet alleen afhangen van de chemische samenstelling, maar ook van hun grootte. Een bekend voorbeeld hiervan is goud. Goudbolletjes van enkele tientallen nanometer zijn niet meer goudkleurig, maar juist rood. Hoewel men hier destijds geen weet van had – en het toen zeker nog geen nanotechnologie heette – werd dit in de Middeleeuwen al gebruikt om glas in lood een rode kleur te geven. In 1847 was het de Britse natuur- en scheikundige Michael Faraday die er achter kwam dat de rode kleur werd veroorzaakt door de grootte van de goudbolletjes.

Niks nieuws onder de zon dus, zou je zeggen. Dat er momenteel sprake is van zowel een nano-angst als een nano-hype vinden we dan ook behoorlijk vreemd.

Quantum dots — Een mooi voorbeeld van nanotechnologie: quantum dots, bolletjes van halfgeleiders van enkele nanometers groot. Afhankelijk van de precieze grootte zenden de quantum dots onder invloed van UV-straling diverse kleuren zichtbaar licht uit. Afbeelding © Scheikundejongens

Nano-angst

Allereerst die angst. Omdat nanomaterialen nieuwe en soms onbekende eigenschappen hebben, kúnnen ze gevaarlijk zijn. Een schoolvoorbeeld van een gevaarlijk – maar ‘puur natuur’ – nanomateriaal is asbest. Op basis van de chemische samenstelling had niemand verwacht dat het schadelijk zou zijn. Asbest is een silicaat, maar het glas in je raam bevat ook silicaten. Alleen gaat het bij asbest om vezels van silicaat, met een diameter van ongeveer 10 nanometer. En die blijken door hun vorm bij inademing onder andere asbestose en tumoren te kunnen veroorzaken.

Er bestaat bij velen de angst dat nanotechnologie het ‘nieuwe asbest’ zal worden. Zo gaan er bijvoorbeeld stemmen op om dan maar alle nanomaterialen in consumentenproducten te verbieden. Een belachelijk voorstel natuurlijk, omdat veel bestaande producten ook onderdelen bevatten die ‘nano’ zijn. Eenvoudige voorbeelden zijn de eiwitten in melk en het beschermende laagje aan de binnenkant van een chipszak. Niet alles wat ‘nano’ is, is meteen gevaarlijk. Maar dat moet natuurlijk wél getest worden voor een product op de markt wordt gebracht.

Hoe classificeren we al deze nieuwe, misschien gevaarlijke, materialen nou? Dit is een belangrijke vraag tegenwoordig en we weten niet hoeveel lezingen we daarover inmiddels gehoord hebben. Allemaal moeilijkdoenerij, want we testen toch ook hoe gevaarlijk niet-nanomaterialen zijn? We weten toch ook heel goed dat je methanol maar beter niet kunt drinken maar dat ethanol (met mate) geen bezwaar is? Waarom kunnen we niet gewoon verplicht stellen om ook alle nanomaterialen voor gebruik in consumentenproducten te laten testen? Het probleem is misschien dat de huidige regelgeving geen onderscheid maakt tussen een blok goud en gouden nanodeeltjes, omdat ze dezelfde chemische samenstelling hebben. Maar dat kan niet zo moeilijk op te lossen zijn.

Een glas met melk — Pas op! Bevat nanodeeltjes! Afbeelding © Kennislink

Nano-hype

Dan die nano-hype. Laatst kwamen we zinsneden tegen als “nanotechnologie ontwikkelt momenteel nanomaterialen (…)” en “nanotechnologie draagt bij aan duurzame energie”. Dat is net zoiets als “thermodynamica ontwikkelt momenteel ijs om over te kunnen schaatsen”. Nanotechnologie is een nieuw vakgebied, maar nanotechnologie ontwikkelt niets zelf. Dat doen nog altijd de onderzoekers.
Op zich hebben we er niets op tegen dat mensen positief zijn over nanotechnologie. Als je veel over goede ontwikkelingen in een vakgebied leest, dan krijg je daar een warm gevoel bij. Dat is logisch. Maar het kan ook te ver gaan. Soms zijn fans van nanotechnologie als de fans van een rockband. Die hebben ook de neiging te vergeten dat er nog andere bands zijn.

Kortom, er zijn een aantal factoren waar de eigenschappen van een materiaal vanaf hangen. Eerst waren dat vooral chemische samenstelling en stofeigenschappen, maar daar is nu iets nieuws bij gekomen. We weten dat nu ook de grootte (of kleinte, als je wilt) van het materiaal belangrijk is. Het klinkt als een open deur, maar dit is waarom nanotechnologie zo anders is. Toch blijft het gewoon wetenschap. En wetenschap is bedacht door mensen, die de natuur willen beschrijven. In een beschrijving van de natuur is geen plaats voor hypes en angsten. Daar telt alleen objectiviteit.

Een nieuwe betekenis van ‘nano’

Sinds de nanosong weten we dat ‘nano’ klein betekent (Grieks voor ‘dwerg’) en dat een nanometer, een miljoenste van een millimeter is. Sinds een jaar of wat duiken overal nieuwe producten op met iets nano. Over een tijdje is nano niet alleen een zelfstandig naamwoord, maar ook een werkwoord.

Deze week werd ik gewezen op deze game: Nano Ninja, te spelen op One More Level. Hier betekent nano niet ‘klein’, maar ‘minimalistisch’. De clue is dat de speler met één enkele toets op het toetsenbord (spatiebalk óf de x-toets) het spel uit kan spelen. En elke keer doet het indrukken van de toets iets anders.

Het spel zit overigens niet lastig in elkaar, alles komt neer op timing. Toch is meer creativiteit nodig om het spel uit te spelen, dan je in de eerste instantie zou denken. Bijna echte wetenschap, maar dan met wat weinig toetsen.

Dank voor de tip Joost

Lab op een 0,50 dollar postzegel

In de wondere wereld van de nanomaterialen is George Whitesides een grote naam. Hij produceert enorm veel artikelen, is een originele wetenschapper en is niet te beroerd om een praatje te geven aan niet-wetenschappers. En het mooie? Zijn artikelen lezen goed weg en zijn praatjes zijn duidelijk. Deze zag ik op TED talks.

Professor Whitesides vertelt hier over welke problemen er zich voordoen in de wereld van de lage-kosten wetenschap. Als iemand ziek is, zou elke dokter graag wat testjes doen. In onze moderne en rijke wereld is dat meestal geen probleem. Lang leve ziektekostenverzekering. Maar als we de Derde Wereld ook mee willen laten genieten van de (onze) welvaart, zullen er een aantal dingen drastisch moeten veranderen. Drie typische zaken die je nodig hebt om een onderzoek te doen zijn geld voor materiaal, een laboratorium en iemand die verstand heeft van het onderzoek.

Iedereen kan een goedkope thermometer bedienen en als hij/zij weet wat (ab)normale lichaamstemperaturen zijn, gaat diagnostisering goed. Je kan deze ‘test’ uitvoeren zonder laboratorium, dus is hij goedkoop en voor iedereen bruikbaar. Een test waar vroeger nog wel een dokter voor nodig was, maar tegenwoordig niet meer, is een zwangerschapstest. Bij de drogisterij zijn kleine zwangerschapstests te koop die eigenlijk een klein laboratoriumpje zijn. Meestal zitten er op zo’n kleine-schaal-lab twee indicatoren: eentje die toont of de test werkt en eentje geeft de uitslag van de (zwangerschaps)test. Uitgebreidere tests zoals naar aanwezigheid van ziekmakende virussen of bacteriën vereisen praktisch altijd geschoolde onderzoekers, een lab en instrumenten. En een dokter die bloed heeft afgenomen van de patiënt.

Terug naar prof. Whitesides. Hij vertelt dat het tijd wordt dat er meer geld en onderzoek moet gaan naar een laboratoria op postzegelschaal. En dan bedoelt hij niet alleen de grootte-schaal, maar ook de kosten van productie. Alleen op die manier kan onderzoek op grote schaal mogelijk worden.

Dit vind je misschien een wat overduidelijke intro voor een logisch verhaal, maar het is nodig. We moeten minder materialen verbruiken en kennis (in dit geval in de vorm van een simpele test) gelijkmatiger verdelen als we de Derde Wereld mee willen laten doen.

Zusje

Na een lezing over de gevaren van nanomaterialen, wil ik de mening van m’n zusje horen. Ze gaat straks haar HAVO examen doen. Na kernenergie en gentherapie, willen veel organisaties dat ‘nano’ niet dezelfde negatieve bijsmaak krijgt.

Waarop m’n zusje — zonder een greinte sarcasme — ad rem antwoordt: “Ik vind dat teveel mensen een mening hebben over iets waar ze geen verstand van hebben. En ik studeer geen scheikunde.”

Ferrofluids pt. 2

Porno voor chemici. Herinneren jullie je dit bericht over ferrofluids nog? Wanneer je een (goede) ferrofluid op een glazen schaaltje doet en er een magneet onder houdt, ontstaan er spikes op de vloeistof. Op die plekken richt de vloeistof zich uit langs de magnetische veldlijnen. Dat resulteerde in onderstaande foto’s die we jullie niet willen onthouden. Klik voor groot!

Voor meer plaatjes (elektronenmicroscopie plaatjes onder ‘TEM’)’ en informatie hoe de masterclass gegaan is, kijk op deze site.