Eind vorig jaar werd bekend dat wetenschappers van de Technische Universiteit Delft en Universiteit Leiden de komende tien jaar ruim 50 miljoen euro kunnen investeren in onderzoek op het gebied van nanotechnologie. Een enorm pak geld. Maar waarom gaat er zoveel heen, en waar wordt dat aan besteed?
“Op zo’n financiering hebben we tien jaar gewacht”, laat Cees Dekker verheugd aan de telefoon weten. Dekker is voorman van het onderzoeksprogramma Frontiers of Nanoscience, kortweg NanoFront dat recent bijna 51 miljoen euro aan subsidie wist binnen te halen. Hij is hoogleraar in de bionanowetenschap aan de Technische Universiteit Delft.
“Deze subsidie is echt nodig om aan de top te kunnen staan. Dat is lastig, want er is internationaal veel concurrentie op het gebied van nanotechnologie. Wat we van al dat geld gaan doen? Denk bijvoorbeeld aan de aanschaf van nieuwe apparatuur voor in de laboratoria. Apparatuur die erg duur is. Ook willen we veel nieuwe mensen aanstellen, topwetenschappers op de internationale markt, maar ook 80 nieuwe promovendi.”
Mooi zoveel geld, maar welk onderzoek gaat hier de vruchten van plukken? “Nanotechnologie is een heel erg breed gebied. We kunnen gewoonweg niet alles doen, we hebben daarom de drie meest veelbelovende gebieden gekozen waarin we ons verder willen ontwikkelen”, aldus Dekker. “Overigens zijn dat gebieden waarin we nu al goed bezig zijn. Ik vind dit echt de spannendste onderwerpen in de nanotechnologie.”
Dekker doelt hiermee op onder andere op de ontwikkeling van stabiele rekeneenheden voor een toekomstige quantumcomputer, het fundamentele biologische onderzoek aan DNA en het live in beeld brengen van moleculaire processen. Allemaal onderzoek dat mogelijk is door ontwikkelingen in de nanotechnologie.
Gecontroleerd quantumdansen
Lieven Vandersypen, hoofd van de onderzoeksgroep Quantumtransport van de Technische Universiteit Delft, ziet veel mogelijkheden door de toekenning van het geld aan NanoFront. Hij wil een deel van het geld de komende jaren gebruiken om greep krijgen op de zogenoemde spins van elektronen.
De spin van zo’n deeltje kan misschien nog het beste voorgesteld worden als de manier waarop ze rondtollen. Deze spins gedragen zich volgens de vreemde wetten van de quantummechanica. Zo kunnen ze bijvoorbeeld tegelijkertijd links én rechtsom draaien! Te bizar om voor te stellen, maar het blijkt wel een nuttige toepassing te hebben. “We willen elektronen vastzetten in speciale opstellingen, waarin we hun spin proberen te controleren. Met een serie van gecontroleerde spins kunnen we uiteindelijk algoritmes uitvoeren. Zo zouden zij het hart van een quantumcomputer kunnen gaan vormen.”
D-Wave Systems claimt in 2011 al een werkende quantumcomputer te hebben gebouwd, maar veel wetenschappers twijfelen of dit echt een quantumcomputer is.
D-Wave Systems Inc.Voor een krachtige quantumcomputer is het van belang dat er een groot aantal van deze tollende elektronen met elkaar verstrengeld zijn. Dat betekent dat ze gekoppeld zijn aan elkaar en informatie kunnen uitwisselen. Des te meer verstrengelingen er zijn, des te groter wordt de potentiële rekenkracht van het systeem. Vooral op dat gebied proberen Vandersypen en zijn collega’s nu vooruitgang te boeken.
“Daarvoor moeten we de fysische processen op de nanoschaal beter leren kennen. Het gebeurt bijvoorbeeld vaak dat een rij verstrengelde qubits wordt verstoord waardoor ze hun informatie verliezen. De grootste uitdaging in mijn vakgebied is die verstoringen te lijf te gaan. En dat is lastig, want het is een proces dat niet wordt begrepen. Wat we in ons onderzoeksvoorstel schreven is dat we van quantum surprises naar quantum devices willen. Met andere woorden, we willen alles wat er gebeurt op de nanoschaal snappen en gebruiken voor praktische toepassingen.”
Nanotechonologie helpt de biologie
Naast de zoektocht naar een werkende quantumcomputer wordt de bionanowetenschap een belangrijke pijler binnen het nieuwe onderzoeksprogramma. Het is het gebied waarbinnen Dekker al jaren actief is als onderzoeker. Hij laat weten dat dit belangrijk is, omdat er binnen de biologie nog heel veel te ontdekken valt op de schaal van de nanometer. “Neem nu ons genoom. De precieze ruimtelijke structuur en de manier waarop bepaalde stukken DNA worden uitgelezen of gerepareerd kennen we gewoonweg nog niet.”
“Ook als het gaat om de ruimtelijke structuur van een biologische cel is nog veel onbekend. Zo is de weg die eiwitten door een cel afleggen heel lastig te volgen. Zeker omdat de cel vol zit met obstakels en membranen. Nanotechnologie kan de fundamentele wetenschap hier een handje helpen. Bijvoorbeeld door het maken van minuscule biosensors en die in te bouwen in de cel. Ook zouden we graag specifieke onderdelen van een cel nabouwen om zo te kijken wat hun exacte werking is.”
Dekker gaat ook aan de slag met het verbeteren van het zogenoemde _sequencing_-technieken, oftewel de kunst van het aflezen van de genetische code van het genoom. Dat wordt al jaren gedaan met steeds snellere en betrouwbaardere technieken. Handig voor het vinden van genetische afwijkingen en het oplossen van misdrijven. Maar toch kan dat nog veel beter, aldus Dekker.
“Met de huidige technieken is het niet mogelijk om de DNA-stukken van miljoenen verschillende basenparen in één keer af te lezen, daar zijn ze veel te lang voor. Daarom worden ze in kleine stukjes geknipt die wel behapbaar zijn. Vervolgens moeten deze stukjes aan elkaar ‘gepuzzeld’ worden om de hele code op te helderen. Dat werkt redelijk goed, maar door deze methode zijn sommige regio’s van het DNA erg lastig op te helderen, vanwege stukken code die steeds herhaald worden in het genoom.”
“Bij het alternatief waar wij aan werken wordt het DNA-molecuul door een nanogaatje getrokken. Daarbij kan de code in één keer afgelezen worden, zonder het gepuzzel achteraf.”
Tot slot zetten Dekker en collega’s nanotechnologie in voor onderzoek aan bacteriën. “We maken gebruik van kanaaltjes met een diameter van minder dan een micrometer. Daar stoppen we verschillende bacteriën in met het doel ze op bepaalde manieren te organiseren en vervormen. Dat levert informatie op over de functies en samenwerking van verschillende bacteriën.”
Moleculen op film
Binnen het derde en laatste thema van NanoFront richten wetenschappers zich op het in beeld brengen van processen op de nanoschaal. Dekker: “Er zijn al veel verschillende manieren om plaatjes te kunnen maken van structuren op de nanoschaal. Denk aan Scanning Probe Microscopy of elektronenmicroscopie. Maar wat we eigenlijk zouden willen is het volgen van dynamische processen, in real time. Simpel gezegd willen we een video kunnen maken van moleculaire processen. Dat zou moeten lukken door de huidige technieken te verbeteren. Maar een grote uitdaging is om beelden te kunnen maken van processen in een levende biologische cel.”
“Samenwerking tussen verschillende afdelingen van de universiteiten binnen het NanoFront ligt erg voor de hand,” zegt Vandersypen. “Dat is in het verleden namelijk al vaker gebeurd. Grafeen, dat wij in ons quantumlab onderzoeken, blijkt bijvoorbeeld erg geschikt voor het maken van nanogaatjes die weer dienst doen in het DNA-onderzoek van Cees Dekker. Zo zijn er meer bruggen te slaan en dat willen we de komende jaren dan ook zeker doen.”
Een kijkje in de toekomst
Over 10 jaar is als het goed is al het geld van de zwaartekrachtsubsidie uitgegeven. Op welke ontdekkingen hoopt de onderzoekers in die tijd? Dekker: “Ik hoop onder andere dat we de structuur en precieze werking van het DNA in onze cellen veel beter kennen. Veel ziektes ontstaan namelijk op dit moleculaire niveau. Wat we nodig hebben is veel meer begrip zodat we de fouten daar kunnen opsporen en zo nieuwe medicatie tegen ziektes kunnen ontwikkelen.”
Vandersypen vult aan: “Ik hoop dat we er aan het einde van dit onderzoeksprogramma in Delft en Leiden echt uitspringen qua nanotechnologie. Wat ik zelf dan doe? Ik hoop eigenlijk dat ik niet meer bezig ben met het realiseren van een quantumcomputer. Het is te hopen dat de weg naar de toepassing dan al vrij is en dat de industrie het dan al opgepakt heeft. Zelf kan ik dan al bezig zijn met iets totaal nieuws. Iets waarvan we nu nog geen idee hebben.”