Polymeren, mini-machientjes en virusdeeltjes: er is binnen de organische chemie weinig waar emeritus hoogleraar Roeland Nolte van de Radboud Universiteit niet aan werkte. Hij ontwerpt en bouwt nieuwe moleculen. Vroeger vanaf de tekentafel. Nu op de computer. Ondertussen denkt hij na over een ontwerp voor een moleculaire computer.
Zorg altijd voor tenminste één goed lopende onderzoekslijn als uitgangspunt. Met onderwerpen waarop mensen die net zijn aangesteld veilig kunnen promoveren. Van daaruit kan je dan een uitdagende onderzoekslijn starten, eentje met meer risico waarin onderzoekers de wildste ideeën kunnen verkennen.
Dat was altijd de strategie van hoogleraar Organische Chemie Roeland Nolte van de Radboud Universiteit. Een strategie die zijn vruchten heeft afgeworpen, want Nolte leverde tijdens zijn carrière grote bijdragen aan de moleculaire nanotechnologie, met toepassingen voor het bedrijfsleven. Zelf is hij het meest trots op de groep mensen die hij heeft opgeleid. Aan de muur van zijn werkkamer in het Nijmeegse Instituut voor Moleculen en Materialen (IMM) hangt een foto van de veertien mensen die die het zelf ook schopten tot hoogleraar in Nederland.
Profiel | Roeland Nolte
Roeland Nolte (1944) studeerde scheikunde aan de Universiteit Utrecht en promoveerde daar in 1973 op een onderzoek naar polymeren die een unieke helixstructuur vertonen. Vervolgens werkte hij als onderzoeker bij de latere Nobelprijswinnaar Donald Cram in Los Angelos. Na terugkeer werkte Nolte aan de Universiteit Utrecht tot hij in 1987 hoogleraar werd in Nijmegen. In 1995 werd hij ook deeltijd hoogleraar aan de Technische Universiteit Eindhoven. In 2003 werd hij aangesteld als Koninklijke Nederlandse Akademie voor Wetenschappen (KNAW) hoogleraar. Sinds 2010 is Nolte emeritus hoogleraar in Nijmegen.
Toen Nolte in 2010 met pensioen ging stopte hij als directeur van het IMM. Maar zijn onderzoek ligt nog niet stil. “Als je gepensioneerd bent heb je de luxe dat je mag beslissen wat je zelf doet. Ik zit in een hele mooie positie”, zegt Nolte. Hij werkt momenteel aan katalysatoren die langs een polymere draad glijden en daar veranderingen op aanbrengen. Dit project loopt nog tot 2017. “Dat wil ik nog wel doorzetten.”
Waar zou je zulke piepkleine katalysatoren voor in kunnen zetten?
“Tegenwoordig worden er ladingen plastics gemaakt waarin koolstof-koolstof dubbele bindingen zitten. Die bindingen geven een materiaal zijn eigenschappen, zoals vervormbaarheid. Om die eigenschappen te veranderen kan je die dubbele bindingen omzetten. Maar bij gebruik van een gewone katalysator worden alle dubbele bindingen gepakt. Met onze katalysatoren proberen we alleen bepaalde dubbele bindingen te veranderen en dat is heel lastig. De natuur kan dat feilloos en voert stapsgewijs veranderingen uit aan moleculen. Als het ons lukt dat na te doen, dan kunnen we materialen maken met weer andere, nieuwe eigenschappen.”
Probeert u de natuur na te bootsen of te verbeteren?
“We proberen de basisideeën over te nemen en daar onze eigen interpretatie aan te geven. Da Vinci was de eerste die naar de natuur keek om inspiratie op te doen. Hij wilde een machine bouwen waarmee hij kon vliegen. Op de markt kocht hij vogels in kooien die hij thuis liet wegvliegen om te kijken hoe ze vlogen. Daarop gebaseerd maakte hij een aantal machines. Zoiets doen wij ook. Wij kijken naar machientjes in de natuur zoals het DNA-polymerase dat kopieën maakt van DNA.”
“Ik hou ervan om nieuwe dingen te bouwen. Moleculaire structuren te ontwerpen zoals een kunstenaar. Mijn broer is een echte kunstenaar. Wat dat betreft zit het een beetje in de familie. Alleen bouw ik niet op macroschaal maar op nanoschaal met moleculen.”
U zit al vijftig jaar in de chemie. U heeft de ommezwaai meegemaakt van synthese van moleculen naar het zelf ontwerpen van moleculen?
“Dat klopt. Ik heb in Los Angeles gewerkt in de onderzoeksgroep van Nobelprijswinnaar Donald Cram. Cram en zijn mede-prijswinnaar Jean-Marie Lehn hebben het gebied van de supramoleculaire chemie geopend in de jaren 80. Het gebied van zelf-assemblage, wat een onderdeel is van de supramoleculaire chemie, is in de jaren 90 een beetje opgekomen. Zelf-assemblage houdt in dat je moleculen programmeert op basis van de informatie die de onderdelen bij zich dragen.”
Heeft u daar geleerd om moleculen te ontwerpen?
“Cram leerde me met modellen te werken. Hij was de eerste die moleculen ontwierp met plastic modellen door aan de tekentafel te gaan zitten. Nu gaat het maken van modellen gewoon op de computer. Cram was destijds geïnteresseerd in een polymeer dat ik eerder had gemaakt. Dat had een hele compacte structuur in de vorm van een helix. Hij wilde het in zijn handen kunnen houden. Dus gaf hij me zijn bouwstenen waar ik het polymeermolecuul van bouwde. Je kon die bouwstenen net als lego in elkaar zetten. Ik gebruikte echter stiekem wat lijm, want het model viel steeds uit elkaar. Dat maakte dat het later niet meer uit elkaar kon worden gehaald. Dat was problematisch want het waren heel dure modellen. Cram was sportief en gaf ze later als cadeau aan mij mee.”
Vroeger maakte chemici modellen van moleculen met plastic bouwstenen. Tegenwoordig gaat het op de computer.
Bin im Garten, via CC BY-SA 3.0Zijn er nog meer mensen belangrijk geweest in uw carrière?
“Mijn promotor aan de Universiteit Utrecht, Wiendelt Drenth, was mijn eerste inspiratiebron. Van hem heb ik geleerd om dingen heel nauwkeurig te doen. Als organisch chemicus maak je moleculen en dat gaat als eten klaarmaken in de keuken. De meeste mensen die het leuk vinden om te koken maken er een beetje een rotzooi van in de keuken. Drenth leerde me dat je er bij het maken van stoffen best een zooi van mag maken. Maar daarna is het tafel schoonvegen om te zorgen dat je geen fouten maakt tijdens het verrichten van metingen aan de stof.”
Wat vindt u de spannendste uitvindingen die werkelijkheid kan worden zodra we de zelf-assemblage goed beheersen?
“Het leukste zou toch wel de moleculaire Turingmachine zijn, waarbij je informatie kunt opslaan op een draad van polymeer. De Turingmachine is eigenlijk geen echte machine. Het is een theoretisch model, ontwikkeld door de bekende wiskundige Alan Turing, waarmee je kan berekenen en beschrijven hoe een computer werkt. Het is eigenlijk het idee achter een computer. Bij een gewone Turingmachine zet je informatie op een lange draad in de vorm van nullen en enen. Die informatie komt van een kop die langs de draad loopt. Deze leeskop geeft instructies en kan de waarden van de informatie aanpassen. Zo werkt elke computer alleen dan veel geavanceerder.”
“Als we op nanoschaal een draad zouden kunnen maken dan moet je die nullen en enen zien als een bijvoorbeeld zuurstofatoom of geen zuurstofatoom. De kop die langs het polymeerdraad loopt zet zuurstofatomen op de draad zodra je er met licht op schijnt. Als er geen licht is dan zet hij er geen zuurstofatoom op. Dit is nog een beetje een fantasieverhaal. Maar het is mijn droom om zo’n systeem, zo’n moleculaire computer, uit te denken en in elkaar te zetten.”
De computerchips van nu bestaan uit silicium.
Jon Sullivan via CC0En wat hebben we daar dan aan?
“Het betekent dat je informatie op polymeerketens kan zetten en dus nog kleinere chips kunt maken. Voor een nieuwe generatie computers. Op dit moment bestaan er alleen maar computers op basis van chips van silicium.”
Heeft u weleens spijt gehad van iets wat u wel, of juist niet, heeft gedaan binnen de wetenschap?
“Nee, maar als ik opnieuw zou moeten beginnen in het onderzoek, dan zou ik gaan werken aan het brein. De Amerikaanse Academie van Wetenschappen heeft een rapport uitgebracht over de grote vraagstukken in de wereld. De vijf ‘grand challenges’. De eerste uitdaging is wat wij doen: op leven lijkende systemen maken. De tweede uitdaging is het brein begrijpen. Als ik nu student was zou ik in het brein stappen.”
Was chemie achteraf gezien geen juiste keuze?
“Op een gegeven moment in je leven ben je in een trein gestapt en die trein die blijft doorgaan. Dan kun je niet goed meer uitstappen. Je bent chemicus geworden, dus je gaat door. Ik bedoel dit niet negatief want ik vind chemie geweldig. Maar ik zou wel aan het brein willen werken als organisch chemicus. Om moleculaire structuren te maken en op die manier te begrijpen hoe het brein in elkaar zit. Je houdt altijd van die dromen.”