Succesvol promotor Marjolein Dijkstra ‘tovert’ met nanodeeltjes

Het filmpje op het computerscherm laat aanvankelijk een wirwar van rondwervelende bolletjes zien. Maar geleidelijk begint zich een ordening af te tekenen met als uiteindelijk resultaat dat de bolletjes als Noord-Koreaanse soldaten keurig gerangschikt op kleur in het gelid staan. Marjolein Dijkstra kijkt met zichtbaar plezier naar de animatie. Ook al ziet de Utrechtse hoogleraar colloïdfysica zulke beelden dagelijks voorbijkomen, zij blijft gefascineerd door het vermogen van colloïdale deeltjes om geheel autonoom regelmatige structuren te vormen. Alsof zij een eigen wil hebben.

Met zeven promoties was Marjolein Dijkstra in 2017 één van de meest productieve begeleiders van promovendi in Utrecht. Een goede reden voor DUB om rond Nieuwjaar niet voor de zoveelste keer op bezoek te gaan bij het biomedisch cluster aan de oostkant van De Uithof, maar om de steven te wenden naar het Ornstein Laboratorium in de noordwesthoek. Daar proberen fysici en chemici onder de vlag van het Debye Instituut de vele geheimen van de nanowereld te doorgronden.

Iedereen kent colloïden

Marjolein Dijkstra bestudeert er sinds haar aanstelling in 1999 het gedrag van colloïden; deeltjes die weliswaar microscopisch klein zijn, maar toch altijd nog duizend keer groter dan atomen en moleculen. Hun omvang varieert van één nanometer (10-9 meter) tot één micrometer (10-6 meter) en iedereen kent ze, want het zijn de deeltjes die voorkomen in ‘troebele’ gassen en vloeistoffen zoals mist (waterdruppels in de lucht), rook (roetdeeltjes in de lucht), verf (oliedruppels in water) en melk (vetdruppels en eiwitten in water).

Het interessante van colloïdale deeltjes is dat ze zich door hun afmeting op het grensgebied bevinden van twee werelden. Ze zijn zo klein dat ze zich als atomen en moleculen gedragen, maar in tegenstelling tot die allerkleinste bouwstenen van de materie zijn ze groot genoeg om door een microscoop bekeken te kunnen worden. Daarom gebruiken fysici ze onder meer als modelsysteem voor een beter begrip van het gedrag van atomen en moleculen.

Op zoek naar deeltjes die de samenleving duurzamer maken

Dijkstra heeft een heel andere reden voor haar interesse in colloïdale deeltjes. Haar gaat het om hun vermogen om geheel autonoom regelmatige structuren te vormen die door de specifieke ordening van de deeltjes bruikbaar kunnen zijn voor industriële toepassingen. “Het uiteindelijke doel van ons onderzoek is om de productie van materialen mogelijk te maken die ons dichterbij een duurzame samenleving kunnen brengen, want dat is één van de opdrachten van het Debye Instituut. Je moet dan bijvoorbeeld denken aan beter werkende katalysatoren zodat auto’s minder brandstof verbruiken, of efficiëntere zonnecellen die zonlicht beter opvangen.

“Neem katalysatoren. Een van de problemen met de huidige generatie katalysatoren is dat de metaaldeeltjes waaruit ze bestaan, kunnen gaan samensmelten waardoor ze minder actief worden. De kunst is dus om ze op zo’n manier een regelmatig rooster te laten vormen dat ze wel dicht genoeg bij elkaar staan om hun werk te doen, maar dat ze toch net geen contact met elkaar maken. Ons onderzoek is erop gericht om uit te zoeken welke vorm van het deeltje van welk soort materiaal daarvoor het meest geschikt is.”

Het gedrag van de deeltjes met de microscooop bekijken

Dat uitzoeken gebeurt in de groep van Dijkstra uitsluitend achter de computer. Men beschikt er over een groot aantal algoritmes (rekenregels voor software) waarmee voorspeld kan worden wat voor structuur er zal ontstaan als deeltjes van een bepaald materiaal en een bepaalde vorm in een vloeistof worden opgelost en onder welke omstandigheden zij een kristalrooster zullen vormen met de eigenschappen waaraan in industriële toepassingen behoefte is. Dat werk levert de mooie plaatjes op, waarover in het begin van dit artikel werd gesproken.

“Maar”, waarschuwt Dijkstra, “om te zien hoe één en ander in de praktijk werkt, is meer nodig. Daarom werken wij nauw samen met een groep experimentatoren onder leiding van Alfons van Blaaderen, hier verderop in de gang. Hij is in staat om met behulp van geavanceerde synthesetechnieken met grote nauwkeurigheid deeltjes te maken van de meest uiteenlopende materialen en vormen. Het gedrag van die deeltjes kan hij bestuderen door ze met de microscoop te bekijken.”

Het lijkt op het spelen van een computerspel

Dat ‘maken’ gebeurt trouwens in feite door de deeltjes zelf, want een bijzonderheid van colloïdale deeltjes in een oplossing is hun vermogen tot zelfassemblage, zegt Dijkstra. “Deeltjes die in een vloeistof ordeloos door elkaar bewegen hebben de neiging om onder bepaalde omstandigheden spontaan een mooi kristalrooster te vormen. Dat is het gevolg van de natuurwet die zegt dat een systeem ernaar streeft om de vrije energie van de deeltjes in dat systeem te minimaliseren en om een zo regelmatig mogelijke structuur te vormen. Als je de juiste deeltjes gebruikt, de goede omstandigheden creëert en de vloeistof vervolgens laat verdampen, houd je in vaste vorm precies de structuur over die je wilt hebben zonder dat je daar verder iets aan hebt hoeven doen.” 

Zelf ziet Dijkstra een lab zelden van binnen. Lachend zegt zij: “Ik kijk heel af en toe door een microscoop, maar meestal zit ik hele dagen achter de computer de beweging van colloïdale deeltjes te simuleren. In zekere zin lijkt wat wij doen wel een beetje op het spelen van computerspelletjes, maar dat is niet onlogisch, want ook in die spelletjes gaat het vaak om objecten die met elkaar botsen. Het klinkt misschien vreemd, maar om die reden stoppen wij in onze algoritmes naast de natuurwetten waaraan colloïdale deeltjes gehoorzamen, ook heel wat rekenregels die rechtstreeks afkomstig zijn uit de spelletjesindustrie.”

Samenwerking tussen simulatoren en experimentatoren is een pre

De industriële toepassing van wat in Utrecht wordt ontwikkeld, gebeurt vooral aan de technische universiteiten, vertelt Dijkstra, onder meer in het Multiscale Catalytic Energy Conversion programma, een gezamenlijk zwaartekrachtprogramma met Eindhoven en Twente. Utrecht is in die samenwerking de plek voor het fundamentele onderzoek, waarbij vooral de goede samenwerking tussen simulatoren en experimentatoren wat haar betreft een pre is.

“Het is hier echt tweerichtingsverkeer. Ik doe de simulaties en de theorie van de systemen waarin we geïnteresseerd zijn en Alfons van Blaaderen doet de experimenten. Als hij bijvoorbeeld kubusvormige deeltjes heeft gemaakt en wil weten hoe die zich in een oplossing zullen gedragen, dan rekenen wij dat voor hem uit. Maar soms doen wij juist voorspellingen over het gedrag van bepaalde deeltjes. Dan gaat hij die deeltjes maken en kijkt of onze voorspellingen uitkomen. Het is echt een heel mooie wisselwerking.”   

Utrecht als walhalla voor dit vakgebied

Ook buiten Utrecht is die goede samenwerking inmiddels wijd en zijd bekend, aldus Dijkstra. “Het Utrechtse colloïdonderzoek staat wereldwijd op de kaart en dat komt mede doordat wij een van de weinige universiteiten zijn met zowel theoretici en simulatoren als experimentatoren, die ook nog eens goed samenwerken. Op internationale congressen ziet men Utrecht echt als het walhalla op dit vakgebied.”

Dat maakt de forse bezuinigingen van de afgelopen tijd in de ogen van Dijkstra extra wrang. “Als gevolg van reorganisaties in de Bètafaculteit hebben verschillende groepen de universiteit de laatste vijf jaar moeten verlaten. Gelukkig hebben we in de tussentijd met geld uit het landelijke sectorplan Natuur- en Scheikunde een paar jonge onderzoekers op tijdelijke basis kunnen aanstellen. Dat heeft ons in zekere zin gered, want ik zou niet weten hoe we ons onderzoek en ons onderwijs anders overeind hadden moeten houden. Onlangs was er weer een beetje ruimte, waardoor wij twee van die onderzoekers een vaste aanstelling hebben kunnen geven, dus dat zorgt voor enige verlichting, maar er staat nog steeds heel veel druk op de ketel. Nee, een beetje extra geld uit de eerste geldstroom zou hier bepaald geen kwaad kunnen.”