Dromen van een dynamisch gebouw

Voor materialen met spectaculaire eigenschappen ben je bij Joanna Aizenberg aan het juiste adres. Haar onderzoeksgroep werkt bijvoorbeeld aan coatings die zorgen voor extreem glibberige oppervlakken. Zo glibberig dat graffiti er voor je ogen vanaf glijdt, dat aangroei op schepen geen kans krijgt of dat bloed niet langer hecht aan medische apparatuur. Ze werkt ook aan oppervlakken waarop druppels niet bevriezen, ook niet als de temperatuur flink onder nul is. Daarnaast ontwikkelt ze optische materialen die zelf controleren welke kleur licht ze uitzenden.

Haar inspiratie haalt ze uit de natuur. Woestijnkevers, zee-egels, vleesetende bekerplanten, diepzeesponzen – overal doet Aizenberg ideeën op. Onlangs hield ze een lezing over de chemie van harige oppervlakken (zie kader) tijdens een symposium van het Institute for Complex Molecular Systems (ICMS) in Eindhoven. Kennislink sprak haar na afloop.

Chemici zijn heel goed in het ontwerpen en maken van allerlei nieuwe moleculen. Waarom is de natuur dan zo’n belangrijke inspiratiebron?
“Veel materialen die we nu gebruiken oefenen één functie uit. Ze zijn of heel hard of juist flexibel. Waterafstotend of doorlatend. Maar ze veranderen niet, ze zijn passief. Ik ben heel erg geïnteresseerd in dynamische materialen en dan moet je echt naar de natuur kijken. Daar vind je materialen die verschillende functies uitoefenen. Materialen die zich aanpassen aan de omgeving. Eigenlijk heeft de natuur talloze oplossingen paraat voor problemen waar wij mee kampen.”

Waar bieden dynamische materialen een uitkomst?
“Op heel veel terreinen, maar zelf droom ik van een gebouw vol dynamische materialen. Probeer je eens voor te stellen wat er dan mogelijk is. Ramen die reageren op de hoeveelheid zonlicht en dan het licht weren of juist meer doorlaten. Muren waar het water afdruipt als het regent, zodat er geen schimmelgroei of structurele schade optreedt, maar die tegelijkertijd ook ademend zijn. Ramen die een vloeibare laag vormen als het heel koud is, zodat ze niet bevriezen.”

“Het zijn allemaal voorbeelden die enorm helpen om een gebouw langer goed te houden, waardoor je flink bespaart op onderhoud. Ook de temperatuurregeling verloopt veel efficiënter in zo’n pand. Je hebt minder verwarming nodig en minder koeling. Je maakt een gebouw veel duurzamer. En als je nog wat extremer denkt, misschien kunnen we ook wel muren maken die heel snel reageren op een externe impuls. Bijvoorbeeld een afgevuurde kogel. Dat de muur dan razendsnel kogelwerend wordt.”

Hoe kom je tot een oplossing als je te maken hebt met meerdere responsen die vaak tegengesteld zijn? Als je met een functie begint totdat die goed werkt en dan de volgende toevoegt, dan loop je toch vast?
“Klopt, je kunt niet losse functies optimaliseren en dan alles samenvoegen. Je moet vanaf de start de complexiteit, dus alle randvoorwaarden en vereisten, meenemen. Het heeft geen zin de optimale condities per functie te bepalen, maar je moet naar de optimale combinatie zoeken voor alle functies binnen alle randvoorwaarden. Dat levert niet de perfecte oplossing voor iedere functie apart, maar dat is niet relevant. Wat je nodig hebt is de beste oplossing voor die specifieke combinatie van functies.”

Hoe breng je dynamiek in op de schaal van moleculen?
“Door te werken op het supramoleculaire niveau, dus de interacties tussen moleculen die niet covalent aan elkaar gebonden zijn. Het onderzoek binnen het ICMS hier in Eindhoven is daarom heel inspirerend voor mij. Het laat zien wat je allemaal kunt bereiken als je gebruik maakt van niet-covalente interacties. Het levert enorm veel mogelijkheden op om met dezelfde moleculen heel verschillende structuren te vormen die weer verschillende eigenschappen laten zien.”

Uw onderzoek speelt zich vooral af op de nanoschaal. Hoe kansrijk is het dat we dit kunnen opschalen naar het niveau van een compleet gebouw?
“De kern zit ‘m in het begrijpen welke eigenschappen cruciaal zijn en welke niet en je dan te concentreren op de controle van die bepalende eigenschappen. Ik ben ervan overtuigd dat het makkelijker is om naar een grotere schaal te gaan dan om te begrijpen hoe we gedrag van materialen op de nanoschaal kunnen voorspellen. Daar zit de echte uitdaging wat mij betreft.”