'De ultieme uitdaging is om een alternatief te maken voor plastic dat net zo goed werkt'

Hoe kunnen vissen in de ijskoude poolzeeën overleven? Hoe slagen virussen erin hun lading te verpakken en af te geven? Is het voor een wateroplosbare verf gunstig als er veel verschillende bestanddelen in zitten of juist niet? Zomaar wat voorbeelden van vragen die Ilja Voets, hoogleraar zelf-organiserende zachte materialen aan de Technische Universiteit Eindhoven, zich stelt.

Door die vragen te onderzoeken wil Voets beter begrijpen hoe materialen werken en vooral, hoe de opbouw en structuur van een materiaal vanaf de allerkleinste bouwstenen de uiteindelijke eigenschappen bepaalt. Om dat te doen, combineert Voets scheikunde met natuurkunde, biologie en heel geavanceerde technieken om de structuur van materialen in beeld te brengen. Voets is de winnaar van de KNCV Gouden Medaille 2019, de jaarlijkse prijs voor een chemicus jonger dan veertig die al indrukwekkende prestaties heeft geleverd en van wie nog veel te verwachten is. NEMO Kennislink sprak Voets over haar wetenschappelijke werk en waarom het zinvol is dat we materialen beter leren kennen.

Materialen zijn chemische producten. Waarom heb je ook natuurkunde en biologie nodig in je onderzoek?

“Juist op de grensvlakken van vakgebieden gebeuren de spannende dingen. Ik vond op school de natuurwetenschappelijke vakken allemaal interessant en als je je verdiept in die verschillende vakgebieden dan zie je dezelfde principes terugkomen. Principes die je bijvoorbeeld ziet in de biologie zie je dan opeens ook in de chemie. Ik wil graag verbanden leggen tussen een fundamentele vraag en een toepassing in een materiaal, maar ook uitzoeken of ik dat inzicht algemener kan maken en kan gebruiken in een heel ander systeem. Op de grensvlakken van vakgebieden liggen voor mij grote vragen waarvan de antwoorden voor meerdere richtingen relevant zijn.”

Kun je een voorbeeld geven van hoe dat in de praktijk uitpakt?

“De ijsvissen zijn een goed voorbeeld. Die vissen leven in zeewater waarvan de temperatuur zo laag is, dat normaal gesproken hun bloed zou bevriezen. Toch gebeurt dat niet omdat deze vissen speciale eiwitten in hun lichaam hebben die zich hechten aan de ijskristallen waardoor die heel klein blijven en het bloed kan blijven stromen. De werking van die eiwitten biedt mogelijkheden om zelf polymeren [lange moleculen van herhalende bouwstenen, zoals kunststoffen maar ook eiwitten, red.] te ontwerpen die een vergelijkbare functie hebben, namelijk hechten aan ijs. Om die stap te maken moet je tot in detail begrijpen hoe dat proces werkt in die vissen. Welk eiwit zorgt voor die hechting, hoe doet het dat en op welke signalen reageert dat eiwit om actief te worden? Dat zijn allemaal vragen waar je biologie en natuurkunde voor nodig hebt. Daarnaast heb je chemische kennis nodig om te begrijpen welke onderdelen in dat eiwit zorgen voor de benodigde chemische interacties met het ijs en hoe je die kunt nabootsen in een synthetisch materiaal.”

En als je dat weet kun je materialen maken die zich aan ijs hechten? Waarvoor kun je die gebruiken?

“Als je begrijpt waarom iets goed hecht aan ijs, dan weet je ook wat je moet doen om de hechting te bevorderen, of juist om ervoor te zorgen dat het helemaal niet hecht. Dat kun je gebruiken om bijvoorbeeld lijm te ontwikkelen voor etiketten op diepvriesproducten. Die moeten goed vastzitten, maar je wil ze er misschien ook weer af kunnen halen. Helemaal voorkomen van hechting aan ijs is nuttig voor coatings op ramen, autoruiten of vliegtuigmotoren zodat die niet bevriezen.”

Je bestudeert ook virussen. Wat heeft dat met materialenonderzoek te maken?

“Ik wil graag bijdragen aan het rationeel ontwerpen van nieuwe materialen. We weten nu nog nauwelijks wat de rol is van de verschillende bouwstenen, de moleculen, in een materiaal en we weten ook nog niet wat de rol is van de volgorde waarin je de bouwstenen aan elkaar koppelt. Anders gezegd: we begrijpen nog niet hoe de structuur van een materiaal de uiteindelijke functie bepaalt. En zolang we dat niet weten kunnen we veel belangrijke, praktische problemen niet oplossen.”

Zoals?

“Denk aan het vervangen van schaarse, dure, giftige of moeilijk verwerkbare grondstoffen in materialen. Zeldzame metalen bijvoorbeeld of stoffen die niet afbreekbaar zijn in het milieu. Als we die willen vervangen door duurzame alternatieven, moeten we heel goed begrijpen wat die grondstof precies doet in dat materiaal en dus moet je weten hoe dat materiaal tot in het kleinste detail in elkaar zit en wat het juiste proces is om die structuur op te bouwen. De ultieme uitdaging voor materiaalonderzoekers is natuurlijk om een materiaal te maken dat net zo goed werkt als de huidige plastics. Dat net zo stabiel is, de inhoud net zo goed beschermt, net zo licht is etc., maar dan weer niet zo stabiel is dat het tot ongewenst afval leidt. Nieuwe materialen moeten aan veel meer eisen voldoen, ook als ze hun functie hebben vervuld. Ik denk dat we materialen meer en meer gaan zien als een dienst in plaats van een product.”